KR102600846B1

KR102600846B1 - 자동화 수술에서 환자 배치를 위한 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR102600846B1
Application number: KR1020227039113A
Authority: KR
Inventors: 오르몬드 엠. 마호니
Original assignee: 오르몬드 엠. 마호니
Priority date: 2018-04-27
Filing date: 2019-04-22
Publication date: 2023-11-10
Also published as: EP3768213B1; CN112334116A; CA3098329C; CA3098329A1; EP3768213A4; US20210077331A1; KR20220154843A; JP7069408B2; EP3768213A1; KR20210006397A; US11026855B2; CN114191240A; US20190328599A1; CN114191240B; EP4011346A1; KR102466813B1; JP2021522049A; JP2022106890A; US10842699B2; WO2019209719A1

Abstract

본 솔루션은 일반적으로 의료 또는 수술 절차 중에 무릎과 같은 신체 부위를 위치시키는데 사용되는 환자 배치 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 솔루션은 일반적으로 가상 경계를 설정 및 추적하고 자동화된 수술 절차를 용이하게 하기 위해 이러한 가상 경계를 조정하기 위해 환자 배치 시스템을 제어하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 또한, 본 솔루션은 일반적으로 자율 환자 배치 서브-시스템과 로봇 수술 조작기 서브-시스템의 시너지 조합에 관한 것이다.

Description

자동화 수술에서 환자 배치를 위한 시스템 및 방법{System and method for patient positioning in an automated surgery}

본 솔루션은 일반적으로 의료 또는 수술 절차 중에 무릎과 같은 신체 부위를 위치시키는 데 사용되는 환자 배치 시스템에 관한 것이다. 본 솔루션은 또한 일반적으로 자동화된 수술 매개 변수에 기초하여 수술 조작기 및 환자 배치 시스템을 제어하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 또한, 본 솔루션은 일반적으로 가상 경계를 설정 및 추적하고 자동화된 수술 절차를 용이하게 하기 위해 이러한 가상 경계를 조정하기 위해 환자 배치 시스템을 제어하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

또한, 본 솔루션은 일반적으로 자율적인 환자 배치 하위-시스템(sub-system)과 로봇 수술 조작기 하위-시스템의 시너지 조합에 관한 것이다. 상기 자율 환자 배치 하위-시스템과 로봇 수술 조작기 하위-시스템의 조합은 준비가 되어 있고, 비교적 쉽게 수행할 수 있으며, 자율 또는 부분-자율 조합 시스템을 위한 기존 소프트웨어 및 하드웨어와 함께 프로그래밍 하기가 비교적 쉽다.

정형 외과 의사들은 로봇 장치를 사용하여 수술 절차를 수행하는 것이 유용하다는 사실이 발견되었다. 일반적으로, 이러한 로봇 장치는 하나 이상의 연결 장치가 있는 이동 가능한 암(arm)과 수술 부위에 정확하고 정밀하게 적용될 수 있는 수술기구가 부착된 자유 원위 단부(free distal end)로 구성된다. 실무자는 컴퓨터 소프트웨어, 기계 학습(machine learning) 및/또는 감각 입력을 위한 전문 알고리즘을 사용하여 수술 기구를 수술에 수행할 환자의 부위에 수술 기구를 배치할 수 있도록 암을 배치할 수 있다.

유리하게도, 상기 로봇 장치는 외과 의사와 달리 근육 긴장, 피로 또는 비자발적 움직임을 받지 않는다. 따라서, 기구가 핸드헬드(handheld) 일 때와 비교하여, 따라서 손이 배치되고 지지되면, 로봇 장치를 사용하여 기기를 안정적이고 일관되게 잡고 높은 정확도와 정밀도로 정의된 경로를 따라 기구를 이동할 수 있다.

또한, 일부 로봇 장치는 수술 용 내비게이션 시스템과 함께 사용하도록 설계되었다. 일반적으로, 내비게이션 시스템은 센서 데이터를 처리하고 기구가 적용되는 환자의 위치에 대한 수술 기구의 위치 표시를 제공하도록 구성된다. 일부 사례에서, 가상 경계는 단부 수술 도구가 할 수 없는 영역에서 로봇 장치/시스템의 단부 수술 도구가 조작할 수 있는 영역을 묘사하기 위해 컴퓨터 지원 설계 소프트웨어를 사용하여 생성된다. 이렇게 하면, 상기 기구가 의도한 범위/한계(bound/margin)를 벗어나서 작동하거나 작동하도록 요청될 가능성(즉, 너무 많이 수행되거나 잘못된 위치에서 수행되는 치료)이 실질적으로 제거된다. 반대로, 이는 상기 기구가 의도한 범위/한계에서 작동하지 않거나 작동하지 않도록 요청될 가능성을 실질적으로 제거한다(즉, 너무 적게 수행됨).

보다 구체적으로, 상기 로봇 장치에 기구의 상대적 위치를 나타내는 데이터가 제공되면, 상기 로봇 장치는 환자의 의도된 부위에 적용되도록 기기를 자율적으로 또는 반자동으로 배치하도록 구성될 수 있다. 정형 외과 수술에서, 가상 절단 경계가 생성되어 수술 후 남은 뼈 섹션에서 수술 중 단부 수술 도구에 의해 제거될 뼈 섹션을 묘사한다. 상기 내비게이션 시스템은 가상 절단 경계에 대한 상기 단부 수술 도구의 움직임을 추적하여 가상 절단 경계에 대한 상기 단부 수술 도구의 위치 및/또는 방향을 결정한다. 상기 로봇 시스템은 내비게이션 시스템과 협력하여 상기 단부 수술 도구가 가상 절단 경계를 넘어 이동하지 않도록 상기 단부 수술 도구의 움직임을 안내한다.

일반적으로, 가상 절단 경계는 수술 전에 생성된다. 가상 절단 경계는 환자 뼈의 모델에 생성되고 뼈에 대해 고정되어 모델이 내비게이션 시스템에 로드 될 때 내비게이션 시스템이 뼈의 움직임을 추적하여 가상 절단 경계의 움직임을 추적한다. 가상 경계는 또한 수술 중 상기 단부 수술 도구가 피해야하는 다른 해부학적 피처(feature)를 정의한다. 이러한 피처에는 단부 수술 도구와의 접촉으로부터 보호할 신경 또는 기타 유형의 조직이 포함된다. 가상 경계는 또한 단부 수술 도구가 치료중인 해부학적 구조를 향하도록 하는 가상 경로를 제공하는데 사용된다. 이러한 가상 경계의 예는 치료되는 해부학적 구조와 관련하여 고정될 수 있거나, 상기 경계는 해부학적 피처 및 수술실 또는 수술 공간의 다른 물체의 동적 추적일 수 있으며, 이는 치료되는 해부학적 구조에 상대적으로 이동할 수 있다.

정형 외과적 수술 절차를 수행하는 동안, 여러 가지 다른 수술 구성요소가 일반적으로 수술 부위에 배치된다. 또한, 수술을 위해 팔다리를 포함한 환자의 위치를 적절하게 배치할 필요가 있다. 일부 수술에서는 수술의 다른 파트동안 환자 또는 환자의 사지 위치를 재배치해야 한다. 수술 시 환자를 배치하는 한 가지 방법은 보조 외과의 또는 기타 훈련된 요원을 사용하여 환자의 위치 조정을 현장, 수동 작동, 조작 및 판단하는 것이다. 상기 훈련된 요원은 전문 환자 배치 도구/장치를 통해 적어도 부분적으로 수행한다. 그러나, 이 방법은 추가적인 수술실 직원(환자 배치 도구/장치를 작동하기 위해)을 사용하는 데 드는 비용과 직원을 무균 수술장에 근접하게 배치하는 것과 관련된 위험(감염 위험이 있음)을 포함하여 몇 가지 단점이 있다. 2004년 7월 15일 공개된 미국공개특허 제20040133984호는 수술 중 환자를 위치시키기 위한 장치 및 방법에 대하여 개시한다.

따라서, 가상 제약 경계를 설정하거나 설정되는 것과 관련하여 자동화된 환자 배치 장치를 제어하기 위한 시스템 및 방법을 제공할 필요가 있다.

일부 추가 맥락을 제공하면, 본 솔루션의 특정 예시적인 실시예가 관절성형술(arthroplasty)에 직접 적용 가능하다. 무릎 및 고관절 치환술(hip arthroplasty)의 경우, 이 수술은 통증을 완화하고 중증 관절의 기능을 회복하는 데 도움이 될 수 있다. 이 치료 옵션에는 손상된 뼈와 연골(예를 들어, 단부 수술 도구 사용)을 절단하고 이를 금속 합금, 고급 플라스틱 및/또는 폴리머(polymer)로 만든 인공 관절로 대체하는 것이 포함된다. 당업계에 공지된 이러한 유형의 치료 절차는 신뢰할 수 있는 증상 완화 및 개선된 기능을 생성한다.

환자를 수술대에 놓기 전에 테이블 상에 멸균 드레이프(sterile drape)를 놓는 것이 일반적이다. 이 드레이프는 멸균 장벽 역할을 한다. 일부 관절성형술 용 사지 홀더(limb holder)는 홀더가 사용되는 테이블에 직접 부착되도록 설계되었다. 이러한 유형의 사지 홀더가 부착된 위치에서, 원하는 멸균 장벽을 제공하기 위해 드레이프를 사지 홀더 주변 및/또는 아래에 배치하는 것이 불가능하지는 않지만 어렵다.

보다 구체적으로, 고관절 및 무릎 관절 교체는 관절염이나 손상된 관절의 일부를 제거하고 관절 임플란트라고 하는 금속, 플라스틱 또는 세라믹 장치로 교체하는 가장 일반적으로 수행되는 관절 교체 수술이다. 관절 임플란트 또는 일반적으로 인공 관절이라고 할 수 있는 것은 관절의 기능을 개선하고 향상시키기 위해 근골격계 내의 구조적 요소를 완전히 또는 부분적으로 대체하는데 사용되는 장기(long-term) 이식형 수술 장치이다.

위에서 언급된 관절 구조에 대한 생리학적 변화는 관절 대체 수술을 고려하는 병든 무릎 관절의 진행에 기여하는 것으로 생각된다. 이러한 변화 중 일부에는 다음이 포함된다: 전체 무릎 연골 용적 및 경골 연골 용적의 측정 가능한 차이, 뼈 크기의 측정 가능한 차이, 반월 파열 및 골수 병변.

전술한 바에 따라, 전술한 바와 같은 종래 기술의 결함을 극복하고 개선을 제공하는 것이 본 솔루션의 목적으로 간주될 수 있으며, 동일하게 내재될 수 있거나, 당업자에게 알려져 있다. 본 솔루션의 또 다른 목적은 상기 목적에 따라, 동일하고 전술한 특성을 수행하기 위한 수술 장치 및 그 사용 방법을 제공하는 것이며, 이는 공정 내에서, 비교적 간단한 장비와 비교적 간단한 엔지니어링 요구 조건으로 쉽게 수행될 수 있다. 전체로서 취해진 이하의 명세서를 고려하면 또 다른 목적이 인식되고 명백해질 수 있으며, 여기서 예시 및 예로서, 본 솔루션의 실시예가 개시된다.

여기에 사용된 바와 같이, 본 솔루션의 목적에 대한 언급은 어떠한 선험적 또는 선행 기술 개념이 아니라 개념 및 축소에서 실행으로 흐르는 본 솔루션의 측면 및 장점을 참조하는 것으로 이해되어야 한다.

본 솔루션의 상기 및 다른 목적이 실현되고 새롭고 개선된 방법, 프로세스, 구성 및 시스템을 제공함으로써 본 솔루션에서 종래 기술의 일부 한계가 극복된다. 본 솔루션의 원리와 세부 사항에 대한 더 나은 이해는 다음 설명에서 분명해질 것이다.

본 솔루션의 예시적인 실시예는 자동화된 수술 환경에서 환자를 배치시키기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

본 솔루션의 예시적인 실시예는 또한, (1) 시공이 간단함, (2) 정형 외과 로봇 수술 장치/시스템과 쉽게 통합함, (3) 멸균 작업장 외부에 배치됨, (4) 필요한 경우, 환자가 물리적으로 묶일 필요없이(예를 들어, 상부 다리 또는 발에) 환자 배치 시스템 안팎에서 환자를 수동으로 배치를 허용함, 및 (5) 그렇지만 외과의가 모니터링하고 감독하는 시스템 프로세서(들)가 자동화 된 수술 절차 동안 환자의 사지를 쉽게 배치, 조정 및/또는 재배치하도록 허용하는, 자율 환자 배치 시스템 및 작동 방법에 관한 것이다.

본 솔루션의 한 양상에 따르면, 자율 환자 배치 장치가 제공되고, 이는 환자의 신체의 미리 결정된 부분에 대해 위치하도록 구성된 지지대; 일반적으로 선형 경로를 따라 상기 지지대를 이동시키는 구동 메커니즘; 상기 구동 메커니즘을 위한 전원; 상기 구동 메커니즘을 수술대에 장착하기 위한 브래킷; 및 상기 구동 메커니즘을 작동시키기 위한 원격 장치를 포함한다. 상기 원격 장치는 환자 배치 장치/하위-시스템의 이동을 안내하기 위해 적어도 부분적으로 복수의 동적 가상 범위를 사용한다.

바람직한 형태에서, 상기 지지대는 환자에게 추가적인 편안함을 제공하기 위해 패딩(padding) 된다. 일 실시예에서, 상기 지지대는 일반적으로 원통형이다. 상기 지지대는 환자 신체의 미리 결정된 부분에 대해 위치하도록 구성될 수 있다. 본 솔루션의 일 실시예에서, 상기 지지대는 환자의 발에 대해 위치하도록 설계된다.

또한, 구동 메커니즘은 전기, 유압 또는 공압으로 작동되는 다수의 장치를 포함할 수 있다. 본 솔루션의 일 실시예에서, 구동 메커니즘은 전기적으로 구동되는 선형 액추에이터(linear actuator)를 포함한다. 바람직한 형태에서, 상기 지지대는 바람직하게 각진 연장부를 포함하고, 구동 메커니즘은 연장부에 결합된다. 바람직하게, 상기 연장부는 지지대의 높이를 조절하기 위한 수단을 포함한다. 본 솔루션의 일 실시예에서, 상기 수단은 연장부 상의 일반적으로 이격 된 복수의 개구 및 이러한 이격 된 개구를 통해 미리 결정된 위치에서 연장부를 해제 가능하게 잠금 하기 위한 핀(pin)을 포함한다.

본 솔루션의 장치는 상기 구동 메커니즘의 원격 및 자율 "스마트(smart)" 작동을 허용함으로써 외과의에게 편의를 제공한다. 본 솔루션은 또한 방법을 제공하며, 상기 방법은, 수술 테이블에 환자를 배치시키는 것을 포함하는 수술 절차 동안 환자를 배치하는 단계; 멸균 수술 영역 외부의 환자 신체의 미리 결정된 부분에 대해 이동 가능한 지지대를 위치시키는 단계; 환자가 수술 절차를 위한 최적의 위치로 이동하도록 지지대의 선형 이동을 제공하기 위해 구동 메커니즘을 작동시킴으로써 지지대가 이동하도록 하는 단계로 구성된다.

특정 예시적인 실시예에서, 자율 환자 배치 하위-시스템(autonomous patient positioning sub-system)은 내비게이션 시스템과 통신 가능하게 연결되고, 환자에게 기구 또는 수술 도구를 적용하기 위한 수술 조작기에 간접적으로 연결된다. 상기 내비게이션 시스템은 상기 지지대를 배치하기 위해 자율 환자 배치 하위-시스템과 협력하도록 구성된다. 상기 내비게이션 시스템은 내비게이션 프로세서 및 상기 내비게이션 프로세서 또는 기타 프로세서에서 작동 가능한 범위 발생기 모듈을 포함한다. 상기 범위 발생기 모듈은 환자에게 맞출 임플란트를 정의하는 데이터를 포함한 복수의 입력을 기반으로 범위를 생성하도록 구성되며, 예를 들어, 환자 배치 하위-시스템에 대한 상대적인 변화가 임플란트를 받는 환자의 조직 위치와 자세에 미치는 영향을 정의하는 데이터가 있다.

특정 예시적인 실시예에서, 상기 시스템은 지지대의 움직임을 추적하기 위한 지지대 부분 추적 장치를 포함한다. 상기 시스템은 또한 복수의 가상 경계 중 제1 경계의 움직임을 추적하기 위한 제1 경계 추적 장치를 포함할 수 있으며, 여기서 제1 가상 경계는 치료될 몸(anatomy)과 연관된다. 상기 시스템은 복수의 가상 경계 중 제2 경계의 움직임을 추적하기 위한 제2 경계 추적 장치를 더 포함할 수 있으며, 여기서 제2 가상 경계는 수술 도구 또는 기구에 의해 회피 될 물체와 연관된다. 제어기는 제1 및 제2 가상 경계에 대한 상기 시스템 부분의 위치를 포함하는 추적 장치와 관련된 정보를 수신하도록 구성된다. 상기 제어기는 제1 및 제2 가상 경계가 서로에 대해 이동함에 따라 제1 및 제2 가상 경계 각각에 대해 환자 배치 하위-시스템의 지지부의 이동을 안내하도록 구성된다.

바람직한 실시예에서, 이동 가능한 지지대는 환자의 발 뒤꿈치와 발에 대해 위치된다. 상기 지지대의 움직임은 수술 절차를 위해 환자의 무릎을 목표 위치로 구부린다. 수행될 수술 절차에 따라, 지지대가 수술 절차 중 두 번째 위치로 이동될 수 있다. 수술 중 지지대의 추가 이동이 가능하고 환자의 재배치 필요성에 따라 단순화되어 진다.

환자 배치 서브-시스템의 지지대를 제어하는 방법도 제공된다. 상기 방법은 수술 절차 동안 특정 지점에서 환자를 적절하게 위치시키기 위해 환자 배치 서브-시스템을 제공하는 것을 포함한다. 내비게이션 시스템은 환자 배치 서브-시스템과 협력하여 수술 도구가 적용되어야 하는 환자의 조직과 도구가 적용되지 않아야 하는 환자의 조직 사이의 경계에 대해 지지대를 배치한다. 상기 경계는 복수의 입력을 기반으로 생성된다.

다른 실시예에서, 환자 배치 서브-시스템의 지지대의 움직임을 안내하기 위해 복수의 동적 가상 경계를 사용하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 치료될 몸(anatomy)과 관련된 지지대 및 제1 가상 경계의 움직임을 추적하는 것을 포함한다. 상기 방법은 제1 가상 경계에 대한 제2 가상 경계의 움직임을 추적하는 단계를 더 포함하며, 여기서 제2 가상 경계는 수술 기구에 의해 회피 될 물체와 연관된다. 지지대의 이동은 제1 및 제2 가상 경계가 서로에 대해 이동함에 따라 제1 및 제2 가상 경계 각각에 대해 안내된다.

이러한 실시예의 한 가지 장점은 환자 배치 서브-시스템을 추적하는 것 외에도, 관심있는 해부학적 구조에 대해 이동할 수 있는 객체(다른 도구 또는 해부학적 구조와 같은)를 동적으로 추적하는 능력이다. 제2 가상 경계는 가상 제약 경계 또는 몸과 관련된 제1 가상 경계에 대한 이동을 위해 추적되는 다른 유형의 가상 경계일 수 있다.

본 솔루션에 따라, 본원에 설명된 시스템 및 서브-시스템의 실시예는 위에서 또는 아래에 설명된 예시적인 양상 및 특징으로 제한되지 않는다. 특정 실시예는 추가적인 특징 또는 상이한 특징을 포함할 수 있는 반면, 다른 실시예는 대안적인 특징을 포함한다.

도면에서, 같은 참조 번호는 달리 지시되지 않는 한 다양한 도면에 걸쳐 같은 부분을 지칭한다. "102A" 또는 "102B"와 같은 문자 부호 지정이 있는 참조 번호의 경우, 문자 부호 지정은 동일한 도면에 존재하는 두 개의 유사한 부분 또는 요소를 구별할 수 있다. 참조 번호가 모든 도면에서 동일한 참조 번호를 갖는 모든 부분을 포함하도록 의도된 경우, 참조 번호에 대한 문자 부호 지정은 생략될 수 있다.
도 1은 자율 환자 배치 서브-시스템을 통해 환자를 배치하고 로봇 수술 조작기 장치와 함께 작동하는 새롭고 유용한 시스템의 예시적인 실시예를 도시한다;
도 2는 도 1의 전체 시스템의 작동을 제어하기 위해 집합적으로 협력하는 다수의 모듈의 블록 다이어그램이다;
도 3은 도 1의 예시적인 시스템의 확대 측면도이다;
도 4a-4c는 도 1-3의 시스템을 사용하는 방법의 예시적인 실시예의 흐름도이다; 및
도 5는 자율 환자 배치 서브-시스템을 통해 환자를 배치하고 자율 사이드 패드(autonomous side pad)를 포함하는 로봇 수술 조작기 장치와 함께 작동하는 새롭고 유용한 시스템의 제2 예시적인 실시예를 도시한다.

본 솔루션의 본질, 기능 및 목적에 대한 추가 이해를 위해 다음의 상세한 설명을 참조해야 한다. 바람직한 실시예의 상세한 설명이 본원에 제공되지만, 본 솔루션을 수행하고 사용하는 최상의 모드(mode) 뿐만 아니라 본 솔루션은 다양한 형태로 구현될 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 본 명세서에 개시된 특정 세부 사항은 제한적인 것으로 해석되어서는 안 되며, 오히려 청구 범위에 대한 기초로서 그리고 당업자가 사실상 임의의 적절하게 상세한 시스템, 구조 또는 방식으로 본 솔루션을 사용하도록 가르치기 위한 대표적인 기초로서 해석되어야 한다.

본원에서 "예시적인(exemplary)"이라는 단어는 예, 사례 또는 예시로서 제공되는 것을 의미하기 위해 사용된다. 본원에서 "예시적인"것으로 설명된 임의의 양상은 반드시 다른 측면에 비해 배타적이거나, 바람직하거나 유리한 것으로 해석될 필요는 없다.

이 설명에서, "애플리케이션(application)"이라는 용어는 객체 코드, 스크립트, 바이트 코드, 마크 업 언어 파일 및 패치와 같은 실행 가능한 콘텐츠를 가진 파일도 포함할 수 있다. 또한, 본원에서 언급되는 "애플리케이션"은 열어야 할 문서 또는 접근되어야 하는 다른 데이터 파일과 같이 본질적으로 실행 불가능한 파일을 포함할 수도 있다.

이 설명에 사용된 대로, "구성 요소", "데이터베이스", "모듈", "시스템" 등의 용어는 하드웨어, 펌웨어, 하드웨어와 소프트웨어의 조합, 소프트웨어 또는 실행중인 소프트웨어와 같은 컴퓨터 관련 엔티티(entity)를 의미한다. 예를 들어, 구성 요소는, 프로세서에서 실행되는 프로세스, 프로세서, 객체, 실행 파일, 실행 스레드(thread of execution), 프로그램 및/또는 컴퓨터일 수 있지만, 이에 국한되지는 않는다. 예시로서, 컴퓨팅 장치에서 실행되는 애플리케이션과 컴퓨팅 장치는 모두 구성요소일 수 있다.

하나 이상의 구성 요소는 프로세스 및/또는 실행 스레드 내에 상주할 수 있으며, 구성 요소는 하나의 컴퓨터에 국한되거나 두 대 이상의 컴퓨터 간에 분산될 수 있다. 또한, 이러한 구성 요소는 다양한 데이터 구조가 저장된 다양한 컴퓨터 판독 가능 매체에서 실행될 수 있다. 상기 구성 요소는 하나 이상의 데이터 패킷(data packets)(예를 들어, 로컬 시스템, 분산 시스템 및/또는 신호를 통해 다른 시스템과의 인터넷과 같은 네트워크에서 다른 구성 요소와 상호 작용하는 한 구성요소로부터의 데이터)을 가진 신호에 따라 로컬 및/또는 원격 프로세스를 통해 통신할 수 있다.

이 설명에서, "중앙 처리 장치("CPU")", "디지털 신호 프로세서("DSP")", "그래픽 처리 장치("GPU")", "프로세싱 구성요소" 및 "칩"은 교환할 수 있게 사용된다. 더욱이, CPU, DSP, GPU 또는 칩은 일반적으로 "코어(들)"로 지칭되는 하나 이상의 별개의 프로세싱 컴포넌트로 구성될 수 있다.

본 솔루션은, 적어도 부분적으로는, 전체 고관절 교체, 요추 수술, 팔꿈치의 개방 정복 내부 고정, 대퇴골의 개방 정복 내부 고정, 발 융합, 후방 십자 인대 재건, 어깨 수리, 전체 어깨 교체, 척추 융합, 개방 정복 내부 고정 경골, 경추 전방 디스크 절제술 및 목 융합, 관절 경 전방 십자 인대 재건, 관절 경 무릎 평가, 부분 및 전체 무릎 교체를 포함하나, 이에 국한되지 않는, 여러 수술 절차를 위해 환자를 자율적으로 배치하는 새롭고 유용한 환자 배치 시스템을 기반으로 한다. 시스템/서브-시스템(sub-system)의 지지대 부분의 구성은 수행되는 수술 절차에 따라 특정 신체 부위를 수용하도록 수정될 수 있음이 또한 이해될 것이다. 다음의 상세한 설명에서 특정 예시적인 실시예는 수술 절차를 위해 환자의 무릎을 위치시키는 것과 관련하여 만들어지지만, 본 솔루션은 다른 수술 절차를 포함하고 이하의 설명은 이의 바람직한 실시예를 참조하고 솔루션의 이해를 단순화하기 위한 것임이 이해될 것이다.

매우 높은 수준에서, 본 솔루션의 예시적인 실시예는 환자를 수술대에 위치시키기 위한 장치 또는 환자 배치 서브-시스템에 관한 것이다.

본 솔루션의 환자 배치 서브-시스템의 예시적인 실시예는 예를 들어 환자의 발 아래와 같은 환자의 신체의 미리 결정된 부분에 대해 배치되도록 구성된 지지대를 포함한다. 환자 배치 서브-시스템은 또한 일반적으로 선형 경로를 따라 지지대를 이동시키기 위한 구동 메커니즘을 포함한다. 구동 메커니즘은 전기, 유압 또는 공압으로 구동될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 구동 메커니즘은 전기적으로 구동되는 선형 액추에이터를 포함한다.

또한, 수술 용 수술대 또는 침대의 지지 레일에 구동 메커니즘을 고정하기 위해 브라켓이 사용된다. 나비 나사, 클램프 또는 기타 부착 장치가 사용된다. 상기 브라켓과 부착물은 수행할 특정 수술 절차에 따라 구동 메커니즘이 수술대의 한쪽에서 반대쪽 또는 끝으로 쉽게 이동할 수 있도록 설계되었다.

또한, 지지대는 환자의 편안함을 위해 패딩 될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 지지대는 실린더 형태이고; 그러나 지지대는 선택한 수술 절차에 따라 필요한 다른 형태를 취할 수 있다.

사용시, 예시적인 실시예에서, 환자는 수술대에 배치되고 환자 배치 서브-시스템은 이동식 지지대가 환자 신체의 미리 결정된 부분에 대해 적절하게 배치되도록 설치된다(예를 들어, 지지대는 환자의 발 아래에 배치됨). 환자 배치 서브-시스템 및/또는 이동식 지지대는 유리하게는 환자, 외과 의사 및/또는 다른 수술 보조자의 움직임을 방해하지 않는 멸균 수술 영역(예를 들어, 멸균 드레이프 아래) 외부에 배치되고 사용될 수 있다.

본원에 상세히 제시된 바와 같이, 일부 수술 절차에서는 초기 작업을 위해 환자의 사지 또는 신체를 제1 위치로 이동한 다음 수술이 진행됨에 따라 해당 사지 또는 신체 부분을 제2, 제3 또는 그 이상의 최적 위치로 이동해야 한다. 본 솔루션의 환자 배치 시스템은 당업계에 공지되거나 사용되는 임의의 시스템보다 이 목적을 더 용이하게 한다.

본 솔루션은 또한, 적어도 부분적으로는, 환자에게 사용하기 위해 수술기구 또는 도구를 배치하는 로봇 수술 조작기 장치와 함께 자율 환자 배치 서브-시스템을 통해 환자를 배치하는 새롭고 유용한 시스템을 기반으로 하며, 여기서 환자의 위치는 로봇 수술 조작기 장치의 요구 및 요건 및 경계 요구 사항 등에 적어도 부분적으로 기반한다.

로봇 수술 조작기 장치(들)는 일반적으로 하나 이상의 연결 장치가 있는 이동 가능한 암(arm)과 부착된 수술기구 또는 도구가 있는 자유 원위 단부(free distal end)를 포함하고, 이는 환자에게 정확하고 정밀하게 적용될 수 있으며 시스템이 작동하도록 하는데 필요한 컴퓨팅, 처리 및 전송 하드웨어이다. 로봇 장치(들)에 기기의 상대적 위치를 나타내는 데이터가 제공될 때, 로봇 장치(들)는 환자의 의도된 부위에 적용되도록 기구를 자율적으로 또는 반자동으로 배치하도록 구성된다.

기구에서 사용할 수 있는 섹션과 기구에 제한된 섹션을 설명하기 위해 가상 절단 경계가 생성된다. 예를 들어, 내비게이션 시스템(들)은 가상 절단 경계에 대한 단부 수술 도구(end surgical tool)의 위치 및/또는 방향을 결정하기 위해 가상 절단 경계에 대한 단부 수술 도구의 움직임을 추적한다. 내비게이션 시스템(들)은 또한 단부 수술 도구를 작동시키기 위해 다른 알려진 컴퓨터 하드웨어 구성 요소(들)과 인터페이스 한다. 본 개시 내용은 자동화된 환자 배치 시스템을 통합하는 이점을 탐구한다.

따라서, 로봇 수술 조작기 장치와 함께 작동하도록 구성된 본 솔루션의 환자 배치 서브-시스템의 예시적인 실시예는 시스템으로부터의 데이터를 처리하도록 구성된 수술 처리 구성요소/서브-시스템을 포함하여, 환자의 위치를 기준으로 수술기구의 위치를 파악하고 구성요소 또는 하위-구성요소의 상태, 위치 및/또는 컨디션을 평가하고 해당 정보가 가상 경계와 어떻게 관련되는지를 평가한다. 예를 들어, 수술 처리 구성요소/서브-시스템은, 센서 데이터 및/또는 구성요소 데이터를 수신하고 처리하여 수술을 위한 가상 경계를 생성하도록, 및 환자 배치 서브-시스템의 이동 가능한 부분의 위치를 처리하도록, 및 이동 가능한 부분의 위치에 대한 상대적인 변화가 환자 조직 및/또는 가상 경계에 의해 정의된 위치에 대한 접근성에 어떻게 영향을 미치는지 평가하도록 구성될 수 있다.

환자 배치 서브-시스템의 예시적인 실시예는 또한 컨트롤러 서브-시스템을 포함하고, 수술 용 내비게이션 서브-시스템이 정보를 전달하고 컨트롤러 서브-시스템이 환자 배치 서브-시스템을 적절하게 작동시키는데 사용한다 (예를 들어, 테이블의 발 쪽으로 또는 테이블의 머리 쪽으로 수술 테이블의 세로 축에 대해 환자 배치 서브-시스템의 지지대의 앞뒤로 움직임을 작동시킴).

본원에 상세히 제시된 바와 같이, 정형외과 수술 절차의 수행 동안, 다수의 상이한 수술 구성요소가 전형적으로 수술 부위에 위치된다. 예를 들어, 시험 임플란트와 같은 관절 구성요소는 환자에게 영구적으로 장착되어야 하는 적절한 크기의 임플란트 구성요소를 결정하기 위해 수술 부위에 배치된다. 다른 예는 견인기 및 추적기 등, 뿐만 아니라 당업자에게 알려진 임의의 다른 수술기구를 포함한다.

또한, 일부 해부학적 피처(features), 또는 수술실의 다른 물체는 치료중인 해부학적 구조(몸)에 대해 상대적으로 움직일 수 있다. 예를 들어, 수술 도구, 기구 등을 위한 조직에 개구부를 제공하기 위해 사용되는 견인기는 치료되는 해부학적 구조에 대해 상대적으로 움직일 수 있다. 예를 들어, 적절한 동적 가상 제약 경계 시스템을 사용하여 정확하게 추적하지 않는 경우, 로봇 수술 조작기 장치는 의도하지 않은 물체 또는 경계에 부딪히거나 수술을 감독하는 사람에게 잘못된 정보를 제공할 수 있다. 지나치게 제한되는 경우, 로봇 수술 조작기 장치를 사용하는 외과 의사는 복잡하고 역동적인 수술을 완료하는데 필요한 모든 기능을 제공받지 못한다.

또한, 맥락에서, 현재 실행에서 정형외과 관절 시스템의 각 관절 구성요소는 일반적으로 개별적으로 포장됩니다. 제조 변동으로 인해, 이러한 각 조인트 구성요소는 해당 유형의 다른 구성요소와 약간 다른 치수를 갖는다. 일반적인 무릎 교체는 세 개 이상의 관절 구성요소를 사용한다. 이러한 차원의 집합적 변형을 차원 스택-업(stack-up)이라고 한다.

기존 무릎 교체 수술에서, 치수 스택-업은 지그(jig) 배치 또는 절단 오류와 같은 정렬 및 배치 오류의 다른 잠재적 원인에 비해 상대적으로 작다. 이러한 집합적 오류를 보완하고 적절하고 최적의 맞춤을 달성하기 위해 사용자가 조인트 구성요소를 변경할 수 있는 옵션을 사용할 수 있다.

따라서 이러한 문제 및 다양한 다른 문제를 해결하기 위해 선행 기술의 환자 배치 서브-시스템 및 선행 기술의 로봇 수술 조작기 장치를 개선할 필요가 있다. 본 솔루션의 로봇 수술 조작기 장치와 함께 환자 배치 서브-시스템의 예시적인 실시예는 당업계에 공지되거나 사용되는 임의의 시스템보다 이 목적을 더 용이하게 한다.

본 솔루션은 또한 적어도 부분적으로 로봇 수술 조작기 장치와 함께 작동되는 환자 배치 서브-시스템을 통해 환자를 배치하는 새롭고 유용한 시스템에 기반하고, 여기서 환자의 위치는 수술기구 또는 수술 조작기의 도구의 애플리케이션과 조정되는 자율 모드이다. 보다 구체적으로, 로봇 수술 조작기 장치의 수술기구는 경계에 대한 기구의 상대적 위치를 결정하고 환자가 제자리에 있는 상태에서 환자 배치 서브-시스템의 상대적 위치/배치(예를 들어, 환자 배치 서브-시스템의 지지대)를 결정한다. 이 경계는 기구를 배치해서는 안 되는 조직의 한계를 정의한다. 로봇 수술 용 조작기 장치가 경계를 넘어서는 기구의 위치를 요구하거나 요청하거나 필요로 하는 경우, 상기 조작기는 기구의 이러한 움직임을 허용하지 않는다.

예를 들어, 로봇 수술 조작기 장치가 기구에 필요한 경로/포인트로 인해 기구가 경계를 초과하게 될 것이라고 판단하면, 상기 기구는 교차해서는 안 되고, 수술 조작기는, (1) 기구가 경계를 넘어 이동하는 것을 방지하고, (2) 치료될 조직을 재배치하도록 환자 배치 서브-시스템(예를 들어, 환자 배치 서브-시스템의 지지, 및/또는 환자 배치 서브-시스템의 임의의 다른 구성요소 또는 서브-시스템의 지지)을 조정하고, 및 (3) (2)에서 환자 배치 서브-시스템을 조정한 후 새로운 경계 조건에 대한 기구의 상대적 위치를 재평가/결정한다. 로봇 수술 조작기 장치는 (1) 이전에 요구, 요청 또는 필요에 따라 기구를 계속 이동하려고 시도할 수 있다.

이런 식으로, 매우 높은 레벨에서, 본 솔루션의 예시적인 실시예는 자율 환자 배치 서브-시스템과 로봇 수술 조작기 서브-시스템의 상승적 조합을 실현하는 로봇 수술 장치에 관한 것이고, 환자에게 사용하기 위해 수술 기구를 배치하기 위한 조합, 및 조직 파라미터 및/또는 임플란트 파라미터 및/또는 환자 배치 서브-시스템의 파라미터(예를 들어, 환자 배치 서브-시스템의 지지)에 기반하여 수술 기구를 제어하기 위한 것에 관한 것이다.

대안적인 방식으로 설명하면, 본 솔루션의 예시적인 실시예는 자율 환자 배치 서브-시스템과 로봇 수술 조작기 서브-시스템의 시너지 조합을 실현하는 로봇 수술 장치에 관한 것이다. 자율 환자 배치 서브-시스템과 로봇 수술 조작기 서브-시스템의 조합은 준비가 되어 있고 비교적 쉽게 달성할 수 있으며, 본원에 설명된 자율 또는 부분 자율 로봇 수술 조작기 서브-시스템에 대한 프로그래밍과 관련하여 프로그래밍 하기가 비교적 쉽다. 유리하게, 자율 환자 배치 서브-시스템과 로봇 수술 조작기 서브-시스템의 조합은 (1) 예상보다 더 많은 장점과 이점을 제공하는 최종 시스템 및 방법을 만들며, (2) 단순히 겉보기에 동등해 보이는 다른 조합을 만들어서 얻을 수 없는 장점과 이점을 제공한다. 최종 시스템과 방법으로 실현되는 장점과 이점은 빠른 수술 시간, 수술 중 감염 위험 감소, 수술 자원 및 인력의 보다 효율적이고 효과적인 사용, 수술 도구의 보다 정확하고 정확한 적용, 조합된 최종 시스템에서 작동 가능하게 하기 위해 사용하기 위한 전문적이고 번거로운 설정에 대한 필요성 감소를 포함한다.

사실, 종래의 로봇 수술 조작기 서브-시스템(들)과 결합되는 경우, 본 개시 내용에 기술된 바와 같은 상승적 장점 및 이점을 제공하지 않을 선행 기술의 환자 배치 서브-시스템의 수많은 예가 있다.

이와 같이, 종래 기술의 환자 배치 장치는 선행 기술의 로봇 수술 조작기 서브-시스템과 결합되는 경우, 본 개시에 설명된 바와 같은 상승적 장점 및 이점을 제공하지 않을 구성요소를 대표할 것이다. 선행 기술의 전부는 아니더라도 대부분의 조합은 구성요소의 합보다 적지 않다면 기껏해야 구성요소의 합이 될 것이다. 이와는 완전히 대조적으로, 본 솔루션은 로봇 수술 조작기 서브-시스템과 자율 환자 배치 서브-시스템의 시너지 조합을 실현하고 합병증이 거의 발생하지 않는다.

예를 들어, 합병증과 관련하여, 고정/정적 선행 기술 장치는 수술 절차를 시작하기 전에 수술대에 배치, 고정 또는 장착된 장치이다. 절차가 시작되면, 이러한 장치를 쉽게 이동, 조정 또는 재배치할 수 없다. 따라서, 수술 절차에서 환자가 절차의 다른 부분 동안 위치를 변경해야 하는 경우, 선행 기술은 현재 일반적으로 나비나사, 레버, 슬라이딩 바 등을 사용하여 환자 배치 장치를 이동하거나 손으로 조정하는 동안 수술을 일시적으로 중단해야 한다고 교시한다.

또한, 수술 중에 환자의 신체 일부를 잡고, 조종하고, 유지하기 위한 장치를 교시하는 기계, 전기 또는 유압 구동 장치도 제안되었다. 장치의 일 실시예는 환자의 상부 다리와 발을 측면, 틸팅(tilting) 및 스윙(swinging) 운동을 제공하는 모터 구동 기어를 사용하여 움직일 수 있는 지지대에 물리적으로 묶는다. 그러나, 이러한 장치는 기계적으로 복잡하고 멸균 작동 영역에 있는 장치의 일부를 멸균해야 한다. 또한, 환자가 장치에 묶여 있으면 다리를 수동으로 배치할 수 없다. 본 솔루션은 이러한 문제를 해결한다.

따라서, 구성이 간단하고, 설치 및 배치가 쉬우며, 로봇 수술 조작기 서브-시스템과 함께 무균 작동 영역 외부에서 사용될 수 있는 자동화 환자 배치 장치 및 방법에 대한 요구가 당업계에 존재한다.

인체계측

체중은 0.1kg(피험자의 신발, 양말, 부피가 큰 옷을 벗은 상태)까지 측정될 수 있으며, 체중을 보정하는 전자 저울 한 쌍으로 측정할 수 있다. 신장은 스타디오미터(stadiometer)를 사용하여 0.1cm(신발과 양말을 벗은 상태)에 가장 가깝게 측정될 수 있다. 체질량 지수(BMI)는 체중(kg)/키(m2)로 계산될 수 있다.

컴퓨터 단층 촬영 (CT 스캔)

컴퓨터 단층 촬영 (CT) 스캔은 다양한 각도에서 촬영한 일련의 X-선 이미지를 결합하고 컴퓨터 처리를 사용하여 뼈의 단면 이미지를 생성하여 뼈의 구조에 대한 자세한 정보를 제공한다. 예를 들어, CT 스캔을 사용하여 건강한 무릎 또는 고관절과 병든 무릎 또는 고관절의 전체 관절을 시각화 하여 맞춤형 맞춤을 허용할 수 있다. 또한, 수술을 시작하기 전에, 수술이 수행되는 환자의 위치에 대한 수술 전 이미지가 생성된다. 이러한 이미지는 수술 부위의 MRI 스캔, 방사선 스캔 또는 컴퓨터 단층 촬영(CT) 스캔을 기반으로 할 수 있다. 이러한 이미지는 예를 들어 알려진 방법을 사용하여 뼈 좌표계에 매핑(mapping) 된다.

수술-전 준비 -

환자를 치료하기 전에, 환자를 드레이핑(draping) 하고 치료를 위해 수술 부위를 준비하는 것과 같은 특정 준비가 필요하다. 예를 들어, 무릎 관절 치환술에서 수술 요원은 환자와 장비를 드레이프(drape) 한 후 환자 배치 서브-시스템에 중요 다리/발을 간단히 놓고 받쳐지게 할 수 있다. 다른 준비에는 수술에 필요한 물건을 수술실에 두는 것이 포함된다. 이러한 객체에는 다리 홀더, 견인기, 흡입/관개 도구, 수술 요원 등이 포함될 수 있다. 수술 중에, 이러한 객체는 수술 기구(들)에 의해 피해져야 한다. 수술 중 이러한 물체의 회피를 용이하게 하기 위해, 이러한 물체 중 하나 이상에 대한 위치 정보는 직접 또는 간접적으로 결정된다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 객체는 수술 동안 네비게이션 서브-시스템에 의해 동적으로 추적된다.

하드웨어

환자 배치 서브-시스템 -

하나의 예시적인 실시예에서, 환자 배치 서브-시스템이 제공되고 환자의 뒤꿈치에 배치되도록 구성된 지지대를 포함하고; 일반적으로 선형 경로를 따라 지지대를 이동시키기 위한 구동 메커니즘의 일부로서 전기적으로 구동되는 선형 액추에이터; 구동 메커니즘을 위한 전원; 구동 메커니즘을 수술대에 장착하기 위한 브래킷; 및 구동 메커니즘을 작동시키기 위한 원격 장치를 포함하는 것이 구상된다.

보다 구체적으로, 브래킷은 수술 테이블의 지지 레일(들)에 구동 메커니즘을 고정하는데 사용되며 구동 메커니즘이 브래킷(들)에 고정되는 것으로 구상된다. 나비 나사, 클램프 또는 기타 부착 장치가 사용될 수 있다. 상기 브래킷과 부착물은 수행할 특정 수술 절차 또는 가상 경계의 요구 사항에 따라 구동 메커니즘이 수술대의 한쪽에서 반대쪽 또는 끝으로 쉽게 이동할 수 있도록 설계되었다. 또한 액추에이터에는 모터, 웜 기어 장치(worm gearing), 리드 스크류(lead screw), 및 스러스트 튜브(thrust tube)가 포함된다. 모터에 전원이 공급되면 웜 스크류 드라이브가 회전하여 스러스트 튜브가 확장되거나 축소된다. 구동 메커니즘을 작동하기 위한 원격 장치는 모터에 대한 전력을 제어하고 내비게이션 서브-시스템 및/또는 기타 처리 장치와 같은 다른 구성요소/서브-시스템에 통신적으로 연결된다. 선형 액추에이터는 SKF Linear Motion의 자회사인 일리노이주 올리(Olney)에 소재한 Magnetic Corporation의 선형 드라이브와 같은 시판되는 장치일 수 있다. 또한, 구동 메커니즘의 전원은 전기 플러그를 통해 제공된다.

하나의 예시적인 실시예에서, 환자의 발 뒤꿈치/발에 추가적인 편안함을 제공하기 위해 환자 배치 서브-시스템의 지지대가 패딩되고 원통형인 형상이 구상된다. 이동식 지지대는 환자의 발 아래 또는 발 뒤꿈치에 위치된다. 상기 지지대의 움직임은 환자의 무릎을 수술 절차를 위한 최적의 위치로 구부리고 필요에 따라 가상 경계를 조정한다.

이러한 관점에서, 환자 배치 서브-시스템의 지지대를 제어하는 방법도 제공된다. 환자 배치 서브-시스템에 통합되었는지에 대한 여부 및/또는 시스템의 독립 구성요소로 자체적으로 설정되었는지에 대한 여부에 관계없이, 내비게이션 시스템은 환자 배치 서브-시스템과 협력하여 수술 기구가 적용되어야 하는 환자의 조직과 에너지 적용기가 적용되지 않아야 하는 환자의 조직 사이의 경계에 대해 지지대를 배치한다. 상기 환자 배치 서브-시스템 및/또는 이동식 지지대는 (모터와 이동 지점 및/또는 겹침, 예를 들어 멸균 작동 영역 외부, 멸균 드레이프 아래 위치에서) 환자, 외과 의사 및/또는 다른 수술 보조자의 움직임을 방해하지 않고 작동될 수 있다.

바람직한 형태에서, 지지대는 바람직하게 각진 연장부를 포함하고, 구동 메커니즘은 연장부에 결합된다. 상기 연장부는 지지대의 높이를 조정하는 수단을 포함한다. 수단은 연장부 상의 일반적으로 이격 된 복수의 개구 및 이러한 이격 된 개구를 통해 미리 결정된 위치에서 연장부를 해제 가능하게 잠금 하기위한 핀(pin)을 포함한다. 예시적인 일 실시예에서, 지지대는 슬리브(sleeve)에 끼워 맞춰지거나 슬리브가 되는 각진 확장부도 포함하고, 여기서 지지대의 높이는 예를 들어, 슬리브의 다른 구멍을 스러스트 튜브(thrust tube)의 단부에 있는 보완 개구와 정렬하고, 예를 들어 스러스트 튜브 및 슬리브를 린치핀(linchpin)으로 고정함으로써 수직으로 조정 가능하다.

하나의 예시적인 일 실시예에서, 자율 환자 배치 서브-시스템이 내비게이션 서브-시스템과 통신적으로 결합되고 따라서 수술 조작기에 직접 또는 간접적으로 연결되는 것이 구상된다. 내비게이션 서브-시스템은 수술이 진행됨에 따라 현재 존재하고/하거나 존재할 것으로 계산/예상되는 가상 경계에 대해 지지대를 배치하기 위해 환자 배치 서브-시스템과 협력하도록 구성된다.

상기 내비게이션 서브 시스템은 수술실에서 다양한 객체의 움직임을 추적하도록 구성된다. 이러한 객체에는, 예를 들어, 수술 기구(들), 환자의 대퇴골 및 환자의 경골, 견인기(들), 무릎 관절 안정기(들), 환자 배치 서브-시스템, 또는 이와 관련된 구성 요소 및 조직이 포함된다. 상기 내비게이션 시스템은, 예정된 수술 루틴을 운영하기 위해, 외과 의사에게 상대적인 위치와 방향을 표시하는 물체를 추적하고, 수술 기구의 움직임을 제어하거나 제한하기 위한 목적으로, 및/또는 대퇴골 및 경골과 관련된 가상 절단 경계에 대한 환자 배치 서브-시스템을 추적한다.

네비게이션 서브-시스템 -

하나의 예시적인 실시예에서, 내비게이션 서브-시스템은 로컬라이저(localizer), 예를 들어 감지 장치를 포함하는 광학 로컬라이저, 예를 들어 광학 센서를 포함하는 것으로 구상된다. 광학 로컬라이저인 경우, 카메라 장치를 조정 가능한 암에 장착하여 광학 센서를 필요한 시야/노출로, 이상적으로는 장애물이 없는 위치에 배치할 수 있다. 위치 및 배향 신호 및/또는 데이터는 객체 추적을 위해 내비게이션 컴퓨터로 전송된다. 다른 유형의 로컬라이저가 구상된다.

보다 구체적으로, 예시적인 일 실시예에서, 내비게이션 서브-시스템은 개인용 컴퓨터 또는 랩톱 컴퓨터(laptop computer)이다. 내비게이션 컴퓨터에는 디스플레이, 중앙 처리 장치(CPU) 및/또는 기타 프로세서, 메모리 및 스토리지가 있다. 내비게이션 컴퓨터에는 소프트웨어가 탑재되어 있다. 소프트웨어는 로컬라이저에서 수신한 신호를 추적중인 물체의 위치와 방향을 나타내는 데이터로 변환한다. 당업자는 본 개시 내용을 고려하여 필요한 소프트웨어를 코딩하는 방법을 이해할 것이다.

또한, 내비게이션 서브-시스템은 내비게이션 프로세서 및 내비게이션 프로세서에서 동작 가능한 경계 생성기 모듈을 포함한다. 경계 생성기 모듈은 복수의 입력에 기초하여 경계를 생성하도록 구성된다. 특정 예시적인 실시예에서, 시스템은 지지대의 움직임을 추적하기 위한 지지부분 추적 장치 및 필요한 소프트웨어, 예를 들어 로컬라이저로부터 데이터를 수신하도록 구성된 로컬라이제이션 엔진(localization engine)을 포함한다. 상기 시스템은 또한 복수의 가상 경계 중 제1 경계의 움직임을 추적하기 위한 제1 경계 추적 장치를 포함하며, 여기서 제1 가상 경계는 치료될 해부학 구조와 연관된다. 시스템은 복수의 가상 경계 중 제2 경계의 움직임을 추적하기 위한 제2 경계 추적 장치를 더 포함하며, 여기서 제2 가상 경계는 기구 등에 의해 회피 될 물체와 관련된다.

또한, 수술 절차를 시작하기 전에 관련 데이터가 내비게이션 프로세서에 로드 된다(loaded). 추적 데이터의 위치 및 방향에 기초하여, 내비게이션 프로세서는 수술 기구의 작동 단부의 위치 및 작동 단부가 적용될 조직에 대한 수술 기구의 방향을 결정한다. 일부 실시예에서, 내비게이션 프로세서는 데이터 또는 관련 데이터를 조작기 컨트롤러로 전달한다. 그러면 조작기 컨트롤러는 데이터를 사용하여 로봇 조작기를 제어할 수 있다. 또한, 본 솔루션의 일부 실시예에서, 내비게이션 프로세서는 데이터 또는 관련 데이터를 컨트롤러 서브-시스템으로 전달한다. 그 다음 컨트롤러 서브-시스템은 데이터를 사용하여 전동식 환자 배치 서브-시스템을 제어할 수 있다.

컨트롤러 서브-시스템 -

하나의 예시적인 실시예에서, 컨트롤러 서브-시스템은 환자 배치 서브-시스템의 전동식 지지 부분을 제어하기 위해 내비게이션 시스템 및/또는 다른 구성요소 또는 서브-시스템으로부터 정보를 수신하도록 구성되는 것으로 예상된다. 상기 컨트롤러는 또한, 예를 들어, 제1 및 제2 가상 경계가 수술 중에 서로에 대해 또는 다른 물체 또는 조직에 대해 상대적으로 이동함에 따라 제1 및 제2 가상 경계 각각에 대해 상대적으로, 환자 배치 서브-시스템의 지지 부분의 움직임을 안내하도록 구성된다. 일부 예시적인 실시예에서, 컨트롤러는 환자 배치 서브-시스템의 구동 메커니즘을 작동시키기 위한 원격 장치(환자 배치 서브-시스템의 관점에서 볼 때)로 구성된다.

보다 구체적으로, 하나의 예시적인 실시예에서, 컨트롤러 서브-시스템은 개인용 컴퓨터 또는 랩탑 컴퓨터이다. 컨트롤러 서브-시스템에는 디스플레이, 중앙 처리 장치(CPU) 및/또는 기타 프로세서, 메모리 및 스토리지가 있다. 컨트롤러 서브-시스템은 소프트웨어와 함께 로드 된다.

또한, 내비게이션 시스템은 제어기 서브-시스템을 통해 환자 배치 서브-시스템의 이동을 안내하기 위해 복수의 동적 가상 경계를 활용할 수 있다. 내비게이션 시스템은 모델링 된 가상 제약 경계를 활용하여 컨트롤러 서브-시스템을 통해 환자 배치 서브-시스템의 지지대의 이동을 구동하는 모터를 작동시킨다. 모델은 원격 컨트롤러 서브-시스템의 디스플레이에 표시되어 환자 배치 서브-시스템의 움직임이 수술 대상 및 가상 경계의 위치에 어떻게 영향을 미치는지 보여줄 수 있다. 또한, 컨트롤러 서브-시스템은, 예를 들어, 이러한 가상 제약 경계에 대해 그리고 환자 포지셔닝 서브-시스템의 이동에 대해 조작기를 안내하기 위해 조작기 컨트롤러와 통신하도록 구성될 수 있다.

이러한 방식으로, 본 솔루션의 장치는 환자 포지셔닝 서브-시스템의 구동 메커니즘의 원격 및 자동 "스마트(smart)" 작동을 허용함으로써 외과 의사에게 편의를 제공한다. 본 솔루션은 또한 수술 절차 동안 환자를 배치시키기 위한 방법을 제공하며, 이 방법은 수술 테이블에 환자를 위치시키는 단계; 멸균 수술 영역 외부의 환자 신체의 미리 결정된 부분에 대해 이동식 지지대를 위치시키는 단계; 환자가 중단 없는 방식으로 수술 절차를 위한 최적의 위치로 이동하도록 지지대의 선형 이동을 제공하기 위해 구동 메커니즘을 자동으로 작동시킴으로써 지지대가 움직이도록 하는 단계를 포함한다.

로봇 수술 조작기 장치 -

로봇 수술 용 조작기 장치의 기구 또는 도구는 다음과 같이 구성될 수 있지만 이에 제한되지는 않게 구상된다: 버(bur); 드릴 비트(drill bit); 톱날; 초음파 진동 팁; 전극 팁; RF 전극; 소작 및 절제 팁; 및 발광 팁.

소프트웨어 -

하나의 예시적인 실시예에서, 소프트웨어 모듈은 내비게이션 프로세서, 또는 컨트롤러 서브-시스템, 또는 프로세서 및 메모리를 포함하는 임의의 다른 구성요소에서 실행되는 것이 구상된다. 이러한 모듈 중 하나는 기구를 적용해야 하는 조직과 기구를 적용하지 않아야 하는 조직 사이에 하나 이상의 경계를 정의하는 맵(map)을 생성하는 경계 생성기이다. 경계 생성기로의 입력에는 절차가 수행될 부위의 수술 전 이미지, 및/또는 컴퓨터 단층 촬영(CT 스캔) 정보, 및/또는 인체 측정 정보가 포함될 수 있다. 조작기/도구를 사용하여 조직을 선택적으로 제거하여 환자가 임플란트를 장착할 수 있도록 하는 경우, 경계 생성기에 두 번째 입력은 임플란트의 모양, 치수 및 크기 정보, 제조 편차 등의 맵이다. 또한, 경계 생성기에 대한 입력은 외과 의사의 설정이다. 이러한 설정에는 기구를 적용해야 하는 조직을 나타내는 의사의 설정이 포함된다. 기구를 사용하여 조직을 제거하는 경우, 설정은 제거할 조직과 기기 적용 후 남아있는 조직 사이의 경계를 식별한다. 상기 조작기를 사용하여 정형 외과 용 임플란트의 피팅을 지원하는 경우, 이러한 설정은 조직에서 임플란트를 배치해야 하는 위치를 정의한다. 다른 입력도 구상된다. 입력 데이터 및 지침을 기반으로 경계 생성기는 기기 경계를 정의하는 맵을 생성한다.

이러한 예시적인 모듈 중 다른 하나는 경계 생성기에 적용된 것과 동일한 일반 입력(들)을 수신할 수 있는 도구 경로 생성기이다. 이러한 입력을 기반으로, 도구 경로 생성기는 도구 경로를 생성한다. 상기 도구 경로 생성기는 예를 들어 조직의 이미지, 경계의 모양을 정의하는 데이터, 경계 위치에 대한 외과 의사의 설정과 같은 입력을 받는다. 정형 외과적 수술의 경우, 경계는 일반적으로 임플란트의 모양이고; 외과의사 설정은 종종 임플란트의 위치이다. 절차가 시작되면, 도구 경로 생성기는 추가 데이터를 수신할 수도 있다. 이 데이터를 기반으로, 도구 경로 생성기는 도구 경로를 수정할 수 있다. 이 데이터를 기반으로, 도구 경로 생성기는 도구 또는 절삭 경로를 정의한다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 이 데이터에 기초하여, 도구 또는 절삭 경로에 대한 경계 제약이 생성된다는 것이 이해되어야 한다.

이러한 예시적인 모듈 중 또 다른 하나는 수술기구, 환자 조직, 시스템 구성 요소 및 서브-시스템에 관한 센서 데이터 및 추적 데이터와 같은 입력 데이터를 수신하는 위치 파악 엔진이다. 이들 신호에 기초하여, 환자 배치 서브-시스템을 다루는 하나의 예시적인 실시예에서, 위치 파악 엔진은 뼈(들)의 위치와 자세, 환자 배치 서브-시스템의 상태, 그 구성요소의 방향과 위치를 결정한다. 또한, 위치 파악 엔진은 작업을 나타내는 신호를 예를 들어 좌표 변환기로 전달한다.

이러한 예시적인 모듈 중 다른 하나는 환자, 도구 및 시스템 등의 수술 전 데이터와 현재 상태 사이의 관계를 정의하는 데이터를 참조하는 좌표 변환기이다. 상기 좌표 변환기는 또한 다른 수술 대상 및 조직과 비교하여 수술 대상 및 조직의 상대적 특성을 나타내는 데이터를 저장할 수 있다.

이러한 예시적인 모듈 중 또 다른 하나는 기구가 적용될 조직 부피의 맵을 포함하는 제거된 재료 로거(removed material logger)이다. 종종 이는 제거할 조직 체적의 맵이다. 이 맵을 유지하는데 사용되는 다른 데이터는 임플란트의 모양과 외과 의사의 개인 설정을 설명하는 데이터, 환자 배치 장치 변경이 뼈(들)의 위치와 자세에 미치는 영향과 관련된 데이터에서 올 수 있다. 절차 시작 시 얻은 매핑 데이터를 포함하여 이 볼륨을 정의하기 위한 다른 데이터 소스가 있다. 또한, 로거는 기구가 적용되거나 적용되지 않거나 이미 적용된 환자의 위치를 식별하는 데이터를 수집할 수도 있다. 이 데이터는 팔의 움직임을 추적하는 조작기, 환자 배치 시스템의 플랫폼 등에 기반할 수 있다. 이 데이터는 명령 또는 측정된 포즈 데이터를 기반으로 할 수 있다. 대안적으로, 이 데이터는 도구 추적기의 이동을 설명하는 데이터에 기반하여 생성될 수 있다. 또한, 로거는 기구 및 도구 추적기의 이동에 관한 데이터를 뼈와 관련하여 기구가 이동한 위치 및 가능하면 환자 배치 서브-시스템이 이에 기여한 방법을 정의하는 데이터로 변환할 수 있다. 상기 로거는 데이터를 저장한다.

이러한 예시적인 모듈 중 다른 하나는 실제로 동작 제어를 수행하는 모듈 세트이다. 동작 제어는 기구에 대해 다음의 명령된 포즈를 나타내는 명령을 생성하는 프로세스이다. 두 번째 소프트웨어 모듈 세트는 모션 제어를 수행한다. 모션 제어의 한 양상은 조작기의 제어이다. 모션 제어 프로세스는 예를 들어 동작 제어 프로세스에서 기구의 다음 명령된 포즈를 정의하는 데이터를 수신한다. 이 데이터를 기반으로 모션 제어 프로세스는 예를 들어 조작기의 관절 각도의 다음 위치를 결정한다. 모션 제어의 두 번째 양상은 조작기의 제약 조건에 따라 동작 제어 모듈에 피드백을 제공하는 것이다. 모션 제어 모듈은 또한 조작기의 상태를 모니터링하여 외부 힘/토크가 적용되고 있는지 또는 물체가 조작기나 기기 또는 시스템의 구성 요소와 접촉하고 있는지 감지한다.

개시된 특정 실시예는 도면 및 다음의 설명으로부터 더 명백해질 것이다.

도 1은 자율 환자 배치 서브-시스템을 통해 환자를 배치하고 로봇 수술 조작기 장치와 함께 작동하는 새롭고 유용한 시스템의 예시적인 실시예의 도시이다. 시스템(1)은 환자 배치 서브-시스템(10)을 통해 수술에 필요한 환자를 배치하고, 여기서 환자의 배치는 수술기구(160)의 적용과 함께 조정되는 자율 모드이다. 환자의 배치는 조작기(manipulator)(50), 수술 용 내비게이션 시스템(210), 환자 배치 서브-시스템(10)의 컨트롤러 서브-시스템(36)의 요구 및 요건 및 경계-요구 사항 등에 적어도 부분적으로 기반한다.

환자(600)에게 수술기구(160)를 적용하는데 사용되는 예시적인 조작기(50)가 도시되어 있다. 조작기(50)는 수술기구(160)가 부착되는 엔드 이펙터(end effector)(110)를 포함한다. 조작기(50)는 기구가 환자(600)에 대해 의도된 의료/수술 절차를 수행하도록 수술기구(160)를 위치시키고 배향하도록 엔드 이펙터(110)를 위치시킨다. 조작기(50)는 수술 용 내비게이션 시스템(210) 및 컨트롤러 서브-시스템(36) 뿐만 아니라 본원에 설명된 다양한 다른 구성요소와 함께 사용된다.

조작기(50)는 카트(cart)(52)를 포함한다. 카트(52)는 바퀴 장착 프레임을 포함한다. 쉘(shell)(56)은 프레임 위에 배치된다. 조작기(50)는 각각 하부 및 상부 암(arm)(68, 70)을 포함한다. 각각의 암(68 및 70)은 4개의 바 링키지(bar linkage)를 포함한다. 특정 예시적인 실시예에서, 조작기(50)는 다수의 상호 연결된 링크를 포함한다. 이러한 링크는 직렬 및/또는 병렬로 함께 연결될 수 있다. 이러한 링크는 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 필요한 액추에이터 및 전기 모터와 함께 2개의 평행한 4개의 바 링키지를 형성할 수 있다. 기구(160)는 링크의 원위 단부에 연결된다. 일반적으로 인접한 링크의 각 쌍은 조인트로 연결된다. 상기 링크의 위치는 조인트와 관련된 액추에이터에 의해 설정된다.

수술 용 내비게이션 시스템(210)은 엔드 이펙터(110) 및 환자(600) 및 환자 배치 서브-시스템(10)의 위치를 모니터링 한다. 내비게이션 서브-시스템(210)은 수술 동안 광학 센서(들), 및 물체 및 조직을 성공적으로 추적하기 위한 다른 센서를 포함하는 로컬라이저(localizer)(216)를 포함한다. 로컬라이저(216)는 수술 절차를 위해 물체 및 조직 상의 추적기로부터 신호를 수신하거나 추적기로 신호를 전송한다. 로컬라이저(216)가 추적기(tracker)로부터 광 신호를 수신하면, 로컬라이저를 카메라 또는 광학 로컬라이저라고 한다. 수술 용 네비게이션 시스템(210)은 또한 네비게이션 프로세서(218)를 포함한다. 로컬라이저(216)가 추적기로부터 신호를 수신하면, 로컬라이저(216)는 로컬라이저에 대한 추적기의 위치 및 방향에 기초하여 프로세서(218)에 신호를 출력한다. 추적기가 로컬라이저(216)로부터 신호를 수신하는 경우, 추적기는 로컬라이저에 대한 추적기의 위치 및 방향에 기초하여 또는 일부 다른 간접적 로컬라이징(localizing) 방법을 통해 프로세서(218)에 출력한다.

수신된 신호에 기반하여, 내비게이션 프로세서(218)는 로컬라이저(216)에 대한 추적기의 상대적 위치 및 방향을 나타내는 데이터를 생성한다. 일부 버전에서, 수술 용 내비게이션 시스템(210)은 추적기, 센서 시스템, 로컬라이저 및/또는 컴퓨터 시스템을 포함할 수 있다.

이 모니터링에 기초하여, 수술 용 내비게이션 시스템(210)은 기구가 적용되는 환자 상의 부위에 대한 수술 기구(160)의 위치 및 환자 배치 서브-시스템(10)의 위치를 결정한다. 또한, 기구(160)가 환자 조직에 적용되어야 하는 이동 경로가 생성된다. 최소한 이 경로의 기본 버전은 절차를 시작하기 전에 생성될 수 있다. 수술 용 내비게이션 시스템(210)은 미리 정의된 이동 경로를 따라 기구를 이동시키는데 필요한 힘과 토크를 계산한다. 이러한 힘 및 토크에 기초하여, 조작기(50)는 미리 정의된 이동 경로를 따라 엔드 이펙터(110)를 통해 수술 기구(160)를 이동시킨다.

보다 구체적으로, 수술 절차를 시작하기 전에, 추가 데이터가 내비게이션 프로세서(218)에 로드 된다. 추적기의 위치와 방향 또는 구성요소 센서와 프로세서에서 수신한 데이터, 이전에 로드 된 데이터를 기반으로, 내비게이션 프로세서(218)는 기구(160)의 작동 단부의 위치 및 엔드 이펙터(110)의 방향, 및 플랫폼의 위치 등을 결정한다. 내비게이션 프로세서(218)는 이 데이터를 조작기 컨트롤러(124)로 전달한다. 또한, 컨트롤러 서브-시스템(36)은 (더 자세한 설명은 도 2 및 관련 공개 참조) 이 데이터를 환자 배치 서브-시스템(10)의 모터(26)로 전달한다.

다음으로, 조작기(50)는 기구(160)를 위치시키기 위해 기구(160)상의 수술 용 내비게이션 시스템(210)에 의해 명령된 힘 및 토크에 응답한다. 이러한 힘 및 토크에 응답하여, 조작기(50)는 의도된 경로를 모방하는 방식으로 기구(160)를 기계적으로 이동시킨다. 기구(160)가 이동함에 따라, 수술 조작기(50) 및 수술 내비게이션 시스템(210)은 기구(160)가 타겟 경계 내에 있는지를 결정하기 위해 협력한다. 이 경계는 환자(600) 내에 있고 그 너머에는 기구(160)가 적용되지 않아야 한다. 조작기(50)는 기구(160)가 이동하는 정도를 선택적으로 제한한다. 또한, 조작기(50)는 실제 수술 조건의 업데이트 된 모니터링 및 분석을 통해 정의된 경계 외부에서 기구(160)의 적용을 초래할 움직임으로부터 엔드 이펙터(110)를 제한한다.

달리 말하면, 가상 절단 경계는 기구(160)에 이용 가능한 섹션 및 기구(160)에 제한된 섹션을 묘사하기 위해 생성된다. 수술 용 내비게이션 시스템(210)은 로컬라이저(216)를 통해 가상 절단 경계에 대한 엔드 이펙터(110)/기구(160)의 움직임을 추적하여 가상 절단 경계에 대한 엔드 이펙터(110)/기구(160)의 위치 및/또는 방향을 결정한다. 또한, 본원에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 절차의 시작 전에 추가 데이터가 내비게이션 프로세서(218)에 로드 되었다. 추적기의 위치 및 방향 (외과 의사가 수술 부위를 정의하기 위해 환자(600)에게 적용했을 수 있음), 이전에 로드 된 데이터, 가상 절단 경계, 및 환자 배치 서브-시스템(10)의 상태 등을 기반으로 하여, 내비게이션 프로세서(218)는 데이터를 조작기 컨트롤러(124) 및 컨트롤러 서브-시스템(36)으로 전달한다(더 상세한 설명은 도 2 및 관련 개시 참조). 내비게이션 프로세서(218)는 또한 수술 부위에 대한 기구(160)의 상대적 위치를 나타내는 이미지 신호를 생성한다.

이러한 이미지 신호는 인터페이스(interface)(220)에 적용되며, 이 실시예에서 수술 용 내비게이션 시스템(210)의 일부이기도 하다. 이러한 신호에 기초하여, 인터페이스(220)는 외과의가 수술 부위에 대한 기구(160)의 상대적 위치를 볼 수 있도록 하는 이미지를 생성한다. 인터페이스(220)는 터치 스크린, 또는 명령의 입력을 허용하는 다른 입력/출력 장치를 포함하고, 살균 필드 외부에 위치한다.

또한, 환자 배치 서브-시스템(10)은 환자(600)를 수술대(12)에 위치시키도록 구성된다. 수술대(12)는 분할되고 머리 및 상체 지지 섹션(14), 몸통 지지 섹션(16) 및 다리 지지 섹션(18)을 포함한다. 수술대(12)는 또한 수술대(12)의 길이를 실질적으로 연장하는 한 쌍의 스탠드-오프 레일(stand-off rail)(20)을 포함한다.

환자 배치 서브-시스템(10)은 환자의 발 아래, 특히 환자(600)의 발의 뒤꿈치 및/또는 아치에 대해 위로 배치되도록 구성된 지지대(22)를 포함한다. 환자 배치 서브-시스템(10)은 또한 수술대(12)의 발/바닥을 향해 또는 수술대(12)의 상부/헤드를 향해 일반적으로 선형 경로를 따라 지지대(22)를 이동시키기 위한 구동 메커니즘(24)을 포함한다. 구동 메커니즘(24)은 전기적으로 구동되는 선형 액추에이터로서 적어도 부분적으로 구성된다. 액추에이터는 웜 기어링(worm gearing)과 리드 스크류(lead screw)가 있는 모터(26) 및 스러스트 튜브(thrust tube)(28)를 포함한다. 모터(28)에 대한 동력은 웜-스크류-드라이브(worm-screw-drive)의 회전을 야기하여 스러스트 튜브(28)가 연장되거나 수축되도록 한다.

브래킷(30)은 구동 메커니즘(24)을 지지 레일(20)에 고정시키는데 사용된다. 나비나사, 클램프 또는 기타 부착 장치가 사용된다. 브래킷(30) 및 부착물은 구동 메커니즘(24)이 수행될 특정 수술 절차에 따라 수술대(12)의 일 측에서 반대 측 또는 단부로 용이하게 이동할 수 있도록 설계된다. 또한, 구동 메커니즘(24)는 전기 모터(26)에 의해 구동된다. 구동 메커니즘(24)의 전원은 전기 플러그(32)를 통해 제공된다.

지지대(22)는 환자(600)의 편안함을 위해 패딩(padding) 된다. 도시된 실시예에서, 지지대(22)는 실린더 형태이다. 지지대(22)는 슬리브(sleeve)(40)에 끼워지거나 슬리브(40)가 되는 각진 연장부(38)를 포함한다. 슬리브(40)는 슬리브(40)를 통해 연장되는 복수의 이격 된 개구(42)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 지지대(22)의 높이는 슬리브(40)의 상이한 구멍(42)을 스러스트 튜브(28)의 단부에 있는 보완 개구와 정렬하고 스러스트 튜브 및 슬리브를 린치핀(linchpin)(44)으로 고정함으로써 수직으로 조정 가능하다.

사용 시, 환자(600)는 수술대(12)에 배치되고 환자 배치 서브-시스템(10)은 이동식 지지대(22)가 스트랩(strap) 또는 결합없이 환자의 발에 대해 적절하게 배치되도록 설치되고, 환자(600)는 이동식 지지대(22) 위에 자유롭게 놓여있다. 도시된 바와 같이, 본 솔루션의 환자 배치 서브-시스템(10)은 멸균 수술 영역 외부에 배치되고 사용되며 외과의 및/또는 수술 보조자의 움직임을 방해하지 않는다. 이것은 종래 기술과 완전히 대조적이다.

특히, 지지대(22)의 움직임은 환자(600)의 무릎을 수술 절차 및 필요에 따라 가상 경계를 조정하기 위한 최적의 위치로 구부리게 한다. 환자 배치 서브-시스템(10)은, 브래킷(30), 전기 플러그(32), 각진 연장부(38), 슬리브(40), 이격 된 개구부(42), 린치핀(44), 및 멸균 드레이프(58) 아래의 멸균 작동 필드 외부에 위치한 컨트롤러 서브-시스템(36)과 같은, 모터(26)와 스러스트 튜브(28), 및 기타 전자장치 및 기계적-오버랩 지점과 함께 가동 지지대(22)에서 작동된다.

이러한 관점에서, 환자 배치 서브-시스템(10)의 지지대(22)를 제어하는 방법이 제공된다. 수술 용 내비게이션 시스템(210)은 시스템(1)에서 그 자체의 독립적인 구성요소로서 도시되고 가능 해졌음에도 불구하고, 환자 배치 서브-시스템(10) 구성 요소와 협력하여 적어도 부분적으로 가상 경계에 기반하여 지지대(22)를 배치시킨다. 내비게이션 프로세서(218)는 경계에 대한 기구(160)의 상대적 위치를 결정하고, 컨트롤러 서브-시스템(36)을 통해 환자(600)가 제자리에 있는 환자 배치 서브-시스템(10)의 지지대(22)의 상대적 위치/자리를 결정한다(더 자세한 설명은 도 2 및 관련 개시 참조).

내비게이션 프로세서(218)가 경계를 넘어서 기구(160)의 위치를 요구, 요청하거나 필요로 하는 것으로 보이는 경우, 조작기(50)는 기구(160)의 이러한 움직임을 허용하지 않는다. 대신에, 내비게이션 프로세서(218)가 기구(160)에 필요한 경로/지점이 기구(160)가 경계를 트리거링(triggering) 하거나 초과하게 할 것이라고 결정하면, 기구(160)가 교차해서는 안 되며, 내비게이션 프로세서(218)는 직접 또는 간접적으로, (1) 기구(160)가 경계를 넘어 이동하는 것을 방지하고, (2) 환자 배치 서브-시스템(10)의 지지대(22) 및/또는 모터(26) 및 스러스트 튜브(28)와 같은 환자 배치 서브-시스템(10)의 임의의 다른 구성요소 또는 서브-시스템을 조정하여 치료받기 위한 조직을 재배치 하고, (3) (2)에서 환자 배치 서브-시스템(10)의 조정 후에, 새로운 경계 조건에 대한 기구(160)의 상대적 위치를 재평가/결정한다. 로봇 수술 조작기 장치(50)는 (1) 이전에 요구, 요청 또는 필요에 따라 기구를 계속 움직이려고 시도할 수 있다.

도 2는 도 1의 전체 시스템(1)의 작동을 제어하기 위해 집합적으로 협력하는 다수의 모듈의 기능 블록 다이어그램이다. 카트(52)에는 조작기 컨트롤러(124) 및 조인트 모터 컨트롤러(들)(126)가 장착된다. 조작기 컨트롤러(124)는 이 실시예에서 고속 범용 디지털 컴퓨터이다. 조작기 컨트롤러(124)는 힘/토크 센서, 인코더(encoder), 수술 용 내비게이션 프로세서(218)로부터의 데이터 및 본원에 설명된 바와 같이 시스템(1)의 다른 부분에 대한 다른 정보에 기초하여 수술 기구(160)가 이동되어야 하는 위치를 결정한다. 이 결정에 기초하여, 조작기 컨트롤러(124)는 수술 기구(160)를 재배치 및/또는 원하는 경로를 따라 수술 기구(160)를 안내하기 위해 각각의 암-형성 링크(arm-forming link)가 이동될 필요가 있는 정도를 결정한다. 링크가 위치될 위치에 관한 데이터는 조인트 모터 컨트롤러(126)로 전달된다.

각각의 조인트 모터 컨트롤러(126)는 조인트 모터 중 하나에 대한 통전 신호(energization signal)의 적용을 조절한다. 조인트 모터 컨트롤러(126)의 주요 기능은 모터가 명령된 조인트 각도에 접근하는 각도로 연관된 조인트를 구동하도록 연관된 모터에 통전 신호를 적용하는 것이다.

터치 스크린 디스플레이(128) 또는 다른 사용자 입력/출력 유닛은 또한 카트(52)에 장착된다. 디스플레이(128)는 카트에도 부착된 유저 인터페이스(130)에 부착된다. 유저 인터페이스(130)는 디스플레이(128) 상의 정보의 표시를 제어하고 초기에 디스플레이(128)를 통해 입력된 사용자-생성 명령/입력을 처리한다.

도구 컨트롤러(132)는 수술 기구(160)에 통전 신호를 공급한다. 도구 컨트롤러(132)는 일반적으로 다음을 포함한다: 전원; 전력 제어 회로; 유저 인터페이스; 애플리케이션 특정 데이터 처리 유닛 (구성요소는 설명되지 않음). 상기 전원은 라인 전압을 수술 기구(160)에 적용될 수 있는 전원 신호로 변환한다. 전력 제어기 회로는 기구(160)와 통합된 전력 생성 유닛에 전력 신호를 선택적으로 적용한다.

일부 실시예에서, 조작기 디스플레이(128)는 도구 컨트롤러(132)에 대한 유저 인터페이스 및 출력 디스플레이로서 기능한다. 유저 인터페이스(130)는 실무자가 기구(160)가 시스템(1)에 의해 제공되는 자동화에 대한 백 스톱(back stop)으로서 기능하기를 원하는 방법에 관한 지시를 입력할 수 있게 한다. 도구 컨트롤러(132) 및 기구(160)의 작동 설정을 설정하고 조정하기 위한 명령은 유저 인터페이스(130)로부터 도구 컨트롤러(132)로 전달된다.

도구 컨트롤러(132)는 유저 인터페이스(130)를 통해 입력된 명령 및 본원에서 상세히 설명되는 바와 같이 기구(160)를 작동시키는데 필요한 다른 데이터를 수신한다. 이 데이터에 기초하여, 도구 컨트롤러(132)는 기구(160)가 네비게이션 프로세서(218), 조작기 제어기(124) 및 시스템(1)의 자동화에 기여하는 다른 구성요소에 의해 지시된 방식으로 작동하게 하는 통전 신호를 출력한다.

예를 들어, 컨트롤러 서브-시스템(36)은 내비게이션 프로세서(218) 및/또는 다른 모듈로부터 정보를 수신하고, 통신 신호를 도구 컨트롤러(132)로 전송하여, 필요에 따라, 환자 배치 서브-시스템(10)의 전동 지지 부분(22)을 제어하도록 구성되고, 내비게이션 프로세서(218)에 의해 확인된 적어도 제1 및 제2 가상 경계, 뿐만 아니라 본원에 설명된 바와 같이 시스템(1)의 다른 부분으로부터의 다른 정보에 적어도 부분적으로 기반한다. 컨트롤러 서브-시스템(36)은 또한, 예를 들어, 제1 및 제2 가상 경계가 서로에 대해 이동되도록 이동/명령될 때 제1 및 제2 가상 경계 각각에 대해, 또는 수술 중 다른 물체나 조직에 대해, 지지대(22)의 이동을 안내하도록 구성된다.

도구 컨트롤러(132)와 같이, 컨트롤러 서브-시스템(36)은 모터(26)에 통전 신호를 공급한다. 컨트롤러 서브-시스템(36)은 일반적으로 다음을 포함한다: 전원; 전력 제어 회로; 유저 인터페이스; 데이터 처리 유닛. 상기 전원은 라인 전압을 모터(26)의 웜 기어링과 리드 스크류를 회전시키기 위해 선택적으로 인가될 수 있는 전력 신호로 변환하여 스러스트 튜브(28)가 연장되거나 수축되도록 한다. 유저 인터페이스(130)는 또한 실무자가 시스템(1)에 의해 제공되는 자동화에 대한 백 스톱으로서 모터(26)가 어떻게 기능하기를 원하는지에 관한 지시를 입력할 수 있게 한다.

일부 예시적인 실시예에서, 조작기 디스플레이(128)는 컨트롤러 서브-시스템(36)에 대한 유저 인터페이스 및 출력 디스플레이로서 기능한다. 컨트롤러 서브-시스템(36) 및 모터(26) 등의 작동 설정을 설정하고 조정하기 위한 명령은 유저 인터페이스(130)로부터 컨트롤러 서브-시스템(36)으로 전달된다.

도 3은 도 1의 예시적인 시스템의 확대 측면도이다. 본원에서 더 자세히 설명된 바와 같이, 일부 수술 절차에서, 초기 작업을 위해 환자(600)의 팔다리를 제1 위치로 이동한 다음, 수술이 진행됨에 따라 그 팔다리 또는 신체 부분을 제2, 제3 또는 그 이상의 최적 위치로 이동하는 것이 필요하다. 이러한 방식으로, 수술 경계는 수술 전반에 걸쳐 수정되거나 조정될 수 있다. 시스템(1)이 조작기(50)(부분적으로 도시됨)의 자동화와 함께 환자 배치 서브-시스템(10)의 이동을 자동화하지만, 일부 상황에서 외과의는 시스템(1)에 원격으로 명령할 필요가 있을 수 있다.

환자 배치 서브-시스템(10)의 목적을 위해, 외과의는 모터(26)의 구동 메커니즘을 원격으로 작동시키기 위해 발로 작동하는 스위치(34)를 사용할 수 있다. 다시, 본원에 설명된 바와 같이, 이 모든 것은 드레이프(drape)(58) 아래의 멸균 수술 영역 외부에 있다. 원하는 동작에 따라, 외과의는 스위치(34)의 대응하는 단부를 누름으로써 도 3에 도시된 바와 같이 스러스트 튜브(28)가 움직이게 할 수 있다. 스위치(34)의 활성화는 컨트롤러 서브-시스템(36)이 모터(26)를 원하는 방향으로 구동하게 한다.

또한, 컨트롤러 서브-시스템(36)은 유저 인터페이스(130) 또는 발로 작동되는 스위치(34)를 통해 입력된 명령 및 모터(26)를 작동시키는데 필요한 기타 데이터를 수신한다. 이 데이터를 기반으로, 컨트롤러 서브-시스템(36)은, 본원에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 모터(26)가 컨트롤러 서브-시스템(36), 내비게이션 프로세서(218), 조작기 컨트롤러(124), 및 시스템의 자동화에 기여하는 다른 구성요소에 의해 지시된 방식으로 작동하게 하는 통전 신호를 출력한다.

이러한 방식으로, 내비게이션 프로세서(218)는 복수의 동적 가상 경계(도시되지 않음) 및 자동화된 로봇 수술 알고리즘을 활용하고 컨트롤러 서브-시스템(36)으로부터의 명령을 통해 지지대(22)의 이동을 안내할 수 있다. 내비게이션 프로세서(218)는 컨트롤러 서브-시스템(36)을 통해 환자 배치 서브-시스템(10)의 지지대(22)의 움직임을 작동시키기 위해 모델링 된 가상 제약 경계를 활용한다. 자동화를 위해 사용되는 모델은 환자 배치 서브-시스템(10)의 움직임이 추적된 물체(외과의에 의해 수술 부위를 따라 이전에 배치된 추적된 물체)의 위치에 어떻게 영향을 미치는지 보여주기 위해 디스플레이(128)(도시되지 않음)에 표시될 수 있다. 또한, 컨트롤러 서브-시스템(36)은 조작기 컨트롤러(124)(미도시)와 통신하여 조작기(50)의 링크 및 이들 가상 제약 경계에 대한 수술 기구(160)의 대응하는 움직임, 및 환자 배치 서브-시스템(10)의 움직임 등을 안내하는 것을 돕는다.

수술대(12) 상의 멸균 드레이프(58)를 강조해야 한다. 드레이프(58)는 멸균 장벽으로 기능한다. 멸균 드레이프(58)의 상부에 부착되도록 설계되어 어렵게 만드는 관절 성형 용 사지 홀더와는 달리, 불가능하지는 않다면, 최적의 멸균 장벽/쉬운-세척 시스템을 제공하기 위해 환자 배치 서브-시스템(10)은 수술대(12)에 직접 배치된다. 환자 배치 서브-시스템(10)은 가동 지지대(22)가 적절하게 배치되도록 설치된다.

이런 방식으로, 환자 배치 서브-시스템(10) 및 이동식 지지대(22)의 전체 뿐만 아니라 조작기(50)를 제외한 시스템(1)의 다른 구조적 및 기계적 특징은 멸균 수술 영역 외부에 배치, 사용, 및/또는 작동된다 (예를 들어, 환자(600)의 다리가 멸균 드레이프(58) 외부에 노출된 멸균 드레이프(58) 아래, 다리는 멸균 드레이프(58) 위에 놓여 있으며, 그 자체는 지지대(22) 위에 놓여있음). 지지대(22)가 원통형이고 수술대(12)의 상부에서 구르거나 미끄러지도록 구성되므로, 모터(26)에 의해 움직일 때, 지지대(22)는 외과 의사 또는 수술 요원이 슬랙(slack) 등을 조정하기 위해 멸균 드레이프(58)를 당길 필요가 있더라도 멸균 드레이프(58)를 찢지 않을 것이다. 이는 멸균 작동 영역의 무결성을 유지하고, 복잡하고 비용이 많이 들고 복잡한 멸균 및 정화 프로토콜이 필요한 오염 가능성으로부터 멀어지도록 복잡한 기계적 중첩 지점, 피벗 또는 작동을 배치한다.

또한, 시스템(1)의 구동 메커니즘(24)의 구성 및 위치에 중점을 두어야 한다. 구동 메커니즘(24)은 조작기(50)의 작동 메커니즘과 유사하게 및/또는 접선으로 구성된다. 이는 환자 배치 서브-시스템(10)이 극단적 및/또는 복잡한 변경을 필요로 하지 않고 자율 수술 시스템 및 소프트웨어 및 하드웨어 요구 사항에 쉽게 구현되고 통합되기 때문에 중요하다.

이와 같이, 시스템(1)은 환자 배치 서브-시스템(10)의 구동 메커니즘의 원격 및 자율 "스마트" 작동을 허용함으로써 외과의에게 편리함을 제공한다. 시스템(1)은 또한 환자(600)를 포지셔닝 하는 방법을 제공한다.

이제 도 4를 참조하면, 도 1 내지 도 3의 시스템을 사용하는 방법의 예시적인 실시예의 흐름도이다. 당업자는 예시적인 방법(1000)이 본 개시의 범위를 제한하지 않는 다양한 수단에 의해 수행될 수 있음을 이해한다. 방법(1000)의 흐름도는 임플란트 파라미터에 기초하여 수술 조작기(50)를 제어하는 관점에서 그리고 환자 배치 서브-시스템(10)의 위치에 제공된다. 조작기(50), 내비게이션 시스템(210) 및 환자 배치 서브-시스템(10)은 무릎 관절, 고관절, 어깨 관절 등과 같은 환자(600)의 관절을 수리하기 위한 수술 절차에 사용되도록 계획된다.

보다 구체적으로, 도 4a의 블록 1010에서, 절차 전에, MRI 또는 CT 스캔과 같은 수술-전 이미지가 환자의 관절의 3차원 모델을 생성하기 위해 사용된다. 예를 들어, MRI 또는 CT 스캔은 환자(600)의 경골 및 대퇴골의 3D 모델을 생성하는데 사용된다. 도 4a의 블록 1012에서, 능동 또는 수동 마커를 갖는 추적 장치는 시술 중 경골 및 대퇴골을 추적하고 수술-전 이미지를 해부학적 구조에 기록하기 위한 목적으로, 통상적인 방법을 사용하여 환자(600)의 경골 및 대퇴골 각각에 장착된다.

도 4a의 블록 1014에서, 내비게이션 시스템(210)은 환자(600)의 대퇴골 및 경골에 이식될 임플란트의 형태, 환자의 관절에서 제거될 재료의 경계에 대한 정보, 및 환자 배치 서브-시스템(10)에 대한 상대적 변화가 환자(600)의 대퇴골 및 경골의 위치 및 자세에 어떻게 영향을 미치는지 정의하는 데이터 등을 수신한다. 임플란트 및 기구(160)의 측정은 좌표 측정 기계(CMM), 레이저 측정 장치, 비디오 측정 장치, 마이크로미터, 프로파일 프로젝터 또는 기타 적절한 장치에 의해 이루어질 수 있다.

도 4a의 블록 1016에서, 내비게이션 시스템(210)은 임플란트의 형상 및 관절의 현재 위치 등에 기초하여 환자(600)의 대퇴골 및 경골에 가상 경계를 생성하는데, 이는 수술 용 드레이프(58) 위의 환자 배치 서브-시스템(10)의 플랫폼 부분(22)에 느슨하게 놓여 있기 때문이다. 경계의 3-차원 형상은 환자(600)가 그 특정 위치 및 자세에 있는 동안 임플란트를 위해 대퇴골 및/또는 경골로부터 제거될 물질의 표적 부피와 관련된다. 내비게이션 시스템(210)은 본원에 설명된 바와 같이 복수의 입력에 기초하여 경계를 생성하도록 동작 가능한 경계 생성기 소프트웨어를 실행하는 내비게이션 프로세서(218)를 포함한다.

특히, 절차 중에 기구(160)의 위치 및/또는 방향, 환자(600)의 경골 및 대퇴골, 및 환자 배치 서브-시스템(10)의 현재 상태를 추적함으로써, 기구(160)의 원위 단부 또는 팁은 수술 경계 내에 유지된다. 경계가 환자(600)의 해부학적 구조에 연결됨에 따라, 해부학적 구조의 움직임을 추적하는 것은 치료되는 환자(600)의 해부학적 구조가 수술 과정 동안 움직일 수 있기 때문에 경계의 움직임도 추적한다.

방법은 도 4b의 블록 1018로 진행하고 수술 용 조작기(50)에 부착된 기구(160)로 환자(600)의 대퇴골 및 경골의 표적 체적의 제거를 시작하는 단계를 포함한다. 도 4b의 블록 1020에서, 내비게이션 프로세서(218)는 컨트롤러 서브-시스템(36)을 통해 경계(들)에 대한 기구(160)의 상대적 위치를 결정하며, 예를 들어, 환자(600)가 제자리에 있는 환자 배치 서브-시스템(10)의 지지대(22)의 상대적 위치/자리를 결정한다.

특히, 이 프로세스를 수행하기 위해, 컨트롤러(124) 및 프로세서(218) 및 컨트롤러 서브-시스템(36) 등은 다수의 상이한 시스템(1) 구성요소 및 환자(600)를 집합적으로 추적한다.

도 4b의 블록 1022에서, 내비게이션 프로세서(218)가 경계를 넘어 기구(160)의 위치를 요구, 요청하거나 필요로 하는 경우, 내비게이션 프로세서(218)는 기구(160)의 이러한 움직임을 허용하지 않는다. 대신에, 내비게이션 프로세서(218)가 기구(160)에 필요한 경로/지점이 기구(160)가 경계를 트리거링 하게 할 것이라고 결정하면, 기구(160)가 교차하지 않아야 하는 내비게이션 프로세서(218)는 도 4b의 블록 1024에서 직접 또는 간접적으로 기구(160)가 경계를 넘어 이동하는 것을 방지하고, 도 4c의 블록 1026에서 컨트롤러 서브-시스템(36)을 통한 모터(26)의 작동을 통해 환자 배치 서브-시스템(10)의 지지대(22)를 조정하며, 예를 들어, 치료되는 관절을 재배치하기 위해, 도 4c의 블록 1028에서, 블록 1026에서 환자 배치 서브-시스템(10)의 조정 후 새로운 경계 조건에 대한 기구(160)의 상대적 위치를 재평가/결정한다. 이러한 방식으로, 본 솔루션의 실시예는 수술 부위의 경계가 수술 기구(160)의 적용을 위해 최적으로 정의되도록 환자의 관절을 매우 정확하고 정밀하게 위치시킬 수 있다.

이러한 재배치의 일부로서, 조작기 컨트롤러(124)는 기구(160)를 정의된 경계 밖으로 이동하지 않지만, 컨트롤러 서브-시스템(36)은 수술에 의해 요구되고 필요에 따라 정의된 경계를 조정하기 위해 플랫폼(22)을 배치한다. 도 4c의 블록 1030에서, 내비게이션 프로세서(218)가 경계를 넘어서 기구(160)의 위치를 요구, 요청하거나 필요로 하는 것으로 다시 나타나는 경우, 내비게이션 프로세서(218)는 기구(160)의 이러한 움직임을 허용하지 않는다. 대신에, 내비게이션 프로세서(218)가 기구(160)에 대한 필요한 경로/지점이 기구(160)가 경계를 트리거링 하는 결과를 초래할 것이라고 결정하면, 기구(160)가 교차해서는 안 되며, 상기 방법은 블록 1026으로 되돌아 간다. 내비게이션 프로세서(218)가 경계를 넘어서 기기(160)의 위치를 요구, 요청하거나 필요로 하는 것으로 보이지 않는 경우, 내비게이션 프로세서(218)는 이동을 허용한다.

도 4c의 블록 1032에서, 방법은 기구(160)로 환자(600)의 대퇴골 및 경골의 표적 체적을 계속 제거하는 단계를 진행하고 포함한다. 그 다음, 방법은 도 4c의 블록 1034로 진행하고 실제 임플란트를 관절에 배치하는 단계를 포함한다. 그런 다음 방법이 종료된다.

이러한 방식으로, 수술 용 내비게이션 시스템(210)은 본원에 설명된 예시적인 사용 방법에 기초하여, 가상 경계에 적어도 부분적으로 기초하여 지지대(22)를 위치시키기 위해 환자 배치 서브-시스템(10) 구성요소와 협력한다. 다른 더 상세한 예시적인 실시예에서, 본원에 설명된 바와 같이, 적어도 제1 및 제2 가상 경계뿐만 아니라 시스템(1)의 다른 부분으로부터의 다른 정보에 적어도 부분적으로 기초하여, 환자 배치 서브-시스템(10)의 전동식 지지부(22)를 제어하기 위해, 상기 방법은 내비게이션 프로세서(218) 및/또는 다른 모듈로부터 정보를 수신하고 필요에 따라 통신 신호를 도구 컨트롤러(132)로 전송하는 컨트롤러 서브-시스템(36)을 포함할 수 있다. 또한, 컨트롤러 서브-시스템(36)은 예를 들어, 제1 및 제2 가상 경계가 수술 중에 서로에 대해 또는 다른 물체 또는 조직에 대해 이동되도록 이동/명령될 때 제1 및 제2 가상 경계 각각에 대해 지지대(22)의 이동을 안내할 수 있다.

여기에 설명된 예시적인 방법의 특정 단계는 솔루션이 설명된 대로 기능하기 위해 다른 단계보다 자연스럽게 선행된다. 그러나, 그러한 순서 또는 차례가 본 개시 내용의 시스템 및 방법의 기능을 변경하지 않는 경우, 본 솔루션은 설명된 단계의 순서로 제한되지 않는다. 즉, 일부 단계는 솔루션의 범위 및 정신에서 벗어나지 않고 다른 단계 이전, 이후 또는 병렬로 (실질적으로 동시에) 수행될 수 있음이 인식된다. 경우에 따라 특정 단계가 생략되거나 솔루션에서 벗어나지 않고 수행되지 않을 수 있다. 또한, "이후", "다음", "차후" 등과 같은 단어는 단계의 순서를 제한하지 않는다. 이 단어는 단순히 예시적인 방법에 대한 설명을 통해 독자를 안내하는데 사용된다.

도 5는 자율 환자 배치 서브-시스템을 통해 환자를 포지셔닝하고, 또한 자율 사이드 패드(302)를 포함하는 로봇 수술 조작기 장치와 함께 작동하는 새롭고 유용한 시스템의 제2 예시적인 실시예의 도시이다. 시스템(2)은 다음과 같은 차이점을 제외하고 시스템(1)과 동일하다.

시스템(2)은 환자 배치 서브-시스템(10) 및 사이드 패드 서브-시스템(300)을 통해 수술에 필요한 환자를 포지셔닝하고, 여기서 환자의 포지셔닝은 수술 기구(160)의 적용과 함께 조정되는 자율 모드이다. 다시, 환자의 포지셔닝은 환자 배치 서브-시스템(10)의 조작기(50), 수술 용 내비게이션 시스템(210) 및 컨트롤러 서브-시스템(36)의 요구 및 요구 사항 및 경계 요구 사항 등에 적어도 부분적으로 기초한다.

수술 용 내비게이션 시스템(210)은 엔드 이펙터(110) 및 환자(600) 및 환자 배치 서브-시스템(10) 및 사이드 패드 서브-시스템(300)의 위치를 모니터링한다. 이 모니터링을 기반으로, 수술 용 내비게이션 시스템(210)은 기구가 적용되는 환자 상의 부위에 대한 수술 기구(160)의 위치, 환자 배치 서브-시스템(10)의 위치 및 측면 패드 서브-시스템(300)의 위치를 결정한다. 또한, 기구(160)가 환자 조직에 적용되어야 하는 이동 경로가 생성된다.

보다 구체적으로, 수술 절차를 시작하기 전에 추가 데이터가 내비게이션 프로세서(218)에 로드 된다. 추적기의 위치 및 방향 또는 구성요소 센서 및 프로세서에서 받은 데이터, 이전에 로드 된 데이터를 기반으로, 내비게이션 프로세서(218)는 기구(160)의 작동 단부의 위치 및 엔드 이펙터(110)의 방향, 플랫폼(22)의 위치 및 측면 패드(302)의 위치를 결정한다. 내비게이션 프로세서(218)는 이 데이터를 조작기 컨트롤러(124)로 전달한다. 또한, 컨트롤러 서브-시스템(36)은 이 데이터를 환자 배치 서브-시스템(10)의 구동 메커니즘(24) 및 사이드 패드 서브-시스템(300)의 구동 메커니즘(304)으로 전달한다.

다음으로, 조작기(50)는 기구(160)를 위치시키기 위해 기구(160) 상의 수술 내비게이션 시스템(210)에 의해 명령된 힘 및 토크에 응답한다. 이러한 힘 및 토크에 응답하여, 조작기(50)는 의도된 경로를 모방하는 방식으로 기구(160)를 기계적으로 이동시킨다. 기구(160)가 이동함에 따라, 수술 조작기(50) 및 수술 내비게이션 시스템(210)은 기구(160)가 타겟 경계 내에 있는지를 결정하기 위해 협력한다. 조작기(50)는 실제 수술 조건의 업데이트 된 모니터링 및 분석을 통해 정의된 경계 외부의 기구(160)의 적용을 초래할 움직임으로부터 엔드 이펙터(110)를 제한한다.

내비게이션 프로세서(218)는 환자 배치 서브-시스템(10) 및 사이드 패드 서브-시스템(300)을 제어하기 위해 데이터를 조작기 컨트롤러(124) 및 컨트롤러 서브-시스템(36)으로 전달한다. 환자 배치 서브-시스템(10) 및 사이드 패드 서브-시스템(300)은 수술대(12) 상에 환자(600)를 포지셔닝 하도록 구성된다.

환자 배치 서브-시스템(10)과 유사하게, 측면 패드 서브-시스템(300)은 환자(600)의 측면, 특히 수술될 측면에서 환자(600)의 허벅지에 대해 위치되도록 구성된 측면 지지대/측면 패드(302)를 포함한다. 측면 패드 서브-시스템(300)은 또한 환자의 다리(600)의 측면 위치를 조정하기 위해 테이블(12)에 대해 측면 지지대(302)를 측면으로 이동시키기 위한 측면 패드 구동 메커니즘(304)을 포함한다. 구동 메커니즘(304)은 적어도 부분적으로 구동 메커니즘(24) 보다 더 짧은 스트로크 길이를 갖는 전기 구동식 선형 액추에이터로서 구성된다. 이와 같이, 브라켓(30)과 같은 브라켓을 통해, 구동 메커니즘(304)은 더 짧은 스트로크 길이를 활용하도록 수술대(12) 아래에 고정될 수 있는 한편, 구동 메커니즘(304)을 멸균 수술 영역/드레이프(58) 아래에 위치시킨다. 또한, 측면 지지대(302)는 환자(600)의 편안함을 위해 패딩 된다. 도시된 실시예에서, 측면 지지대(302)는 평면 패딩의 형태이다.

사용 시, 환자(600)는 수술대(12) 상에 위치되고, 환자 배치 서브-시스템(10) 및 측면 지지대(302)는 가동 지지대(22)가 환자의 발에 대해 적절하게 위치되도록 설치되어, 이동 가능한 측면 지지대(302)가 스트랩이나 결합을 필요로 하지 않고 환자의 바깥쪽 허벅지에 대해 적절하게 위치되고, 환자(600)는 이동 가능한 지지대(22)에 자유롭게 안착되어 자연스럽게 측면 패드(302)를 향해 바깥쪽으로 떨어지도록 한다(환자(600)의 무의식 상태로 인해).

특히, 지지대(22)의 움직임은 환자(600)의 무릎을 수술 절차 및 필요에 따라 가상 경계의 조정을 위한 최적 위치로 구부리게 한다. 유사하게, 측면 지지대(302)의 움직임은 환자(600)의 무릎의 안쪽 또는 바깥쪽으로의 측면 움직임을 수술 절차 및 필요에 따라 가상 경계의 조정을 위한 최적 위치로 야기한다. 환자 배치 서브-시스템(10)은 구동 메커니즘(24)에서 작동되고 측면 지지대(302)는 구동 메커니즘(304)에서 작동된다.

이러한 관점에서, 환자 배치 서브-시스템(10)의 지지대(22)를 제어하는 방법과 측면 지지 서브-시스템(300)의 측면 지지대(302)를 제어하는 방법이 제공된다. 수술 용 내비게이션 시스템(210)은 환자 배치 서브-시스템(10) 구성요소 및 측면 지지대(302) 구성 요소와 협력하여 적어도 부분적으로 가상 경계에 기초하여 지지대(22) 및 측면 지지대(302)를 배치한다. 내비게이션 프로세서(218)는 경계에 대한 기구(160)의 상대적 위치를 결정하고, 컨트롤러 서브-시스템(36)을 통해 환자(600)가 제자리에 있는 상태에서 지지대(22) 및 측면 지지대(302)의 상대적 위치/자리를 결정한다.

내비게이션 프로세서(218)가 경계를 넘어서 기구(160)의 위치를 요구, 요청하거나 필요로 하는 것으로 보이는 경우, 조작기(50)는 기구(160)의 이러한 움직임을 허용하지 않는다. 대신에, 내비게이션 프로세서(218)가 기구(160)에 필요한 경로/지점이 기구(160)가 경계를 트리거링 하는 결과를 초래할 것이라고 결정하면 기구(160)가 교차해서는 안 되며, 내비게이션 프로세서(218)는 직접 또는 간접적으로, (1) 기구(160)가 경계를 넘어 이동하는 것을 방지하고, (2) 지지대(22) 및/또는 측면 지지대(302) 및/또는 임의의 다른 구성요소 또는 서브-시스템을 조정하여 치료할 조직을 재배치하고, (3) (2)에서 환자 배치 서브-시스템(10) 및/또는 측면 지지 서브-시스템(300)의 조정 후에, 새로운 경계 조건에 대한 기구(160)의 상대적 위치를 재-평가/결정한다. 로봇 수술 조작기 장치는 (1) 이전에 요구, 요청 또는 필요에 따라 기구를 계속 이동하려고 시도할 수 있다.

의료 또는 수술 절차 동안 무릎과 같은 신체 부위의 위치를 지정하는데 사용되는 환자 배치 시스템을 위한 시스템, 장치 및 방법은 예로서 제공되고 본 개시 내용의 범위를 제한하도록 의도되지 않은 그 실시예의 상세한 설명을 사용하여 설명되었다. 설명된 실시예는 솔루션에 따른 자기 보철물의 모든 실시예에서 모두가 요구되지 않는 상이한 특징을 포함한다. 본 솔루션의 일부 실시예는 일부 피처 또는 상기 피처의 가능한 조합만을 활용한다. 설명된 솔루션의 실시예 및 설명된 실시예에서 언급된 피처의 상이한 조합을 포함하는 솔루션의 실시예의 변형이 당업자에게 발생할 것이다.

치료 또는 수술 절차 동안 무릎과 같은 신체 부위를 배치하는데 사용되는 환자 배치 시스템을 위한 시스템, 장치 및 방법은, 본 솔루션에 따라, 상기에서 특히 도시되고 설명된 것에 의해 제한되지 않는다는 것을 당업자는 이해할 수 있을 것이다. 오히려, 본 솔루션에 따라 의료 또는 수술 절차 동안 무릎과 같은 신체 부위를 위치시키는데 사용되는 환자 배치 시스템의 시스템, 장치 및 방법의 범위는 다음 청구 범위에 의해 정의된다.

1: 시스템
2: 시스템
10: 환자 배치 서브-시스템
12: 수술대
14: 머리 및 상체 지지 섹션
16: 몸체 지지 섹션
18: 다리 지지 섹션
20: 레일
22: 지지대
24: 구동 메커니즘
26: 모터
28: 스러스트 튜브
30: 브라켓
32: 전기 플러그
34: 발로 작동하는 스위치
36: 컨트롤러 서브-시스템
38: 각진 연장부
40: 슬리브
42: 이격된 개구
44: 린치핀
50: 조작기
52: 카트
56: 쉘
58: 드레이프
68: 로어 암
70: 어퍼 암
110: 엔드 이펙터
124: 조작기 컨트롤러
126: 조인트 모터 컨트롤러
128: 디스플레이
130: 유저 인터페이스
132: 도구 컨트롤러
160: 수술 기구
210: 수술 내비게이션 시스템
216: 로컬라이저
218: 내비게이션 프로세서
220: 인터페이스
300: 사이드 패드 서브-시스템
302: 사이드 패드
304: 사이드 패드 구동 메커니즘
600: 환자
1000: 방법

Claims

수술 절차 동안 환자를 배치시키기 위한 장치에 있어서,
환자의 신체에 대해 위치하도록 구성된 지지대 - 상기 지지대는 상기 지지대의 높이를 조정하기 위한 수단을 포함하고, 상기 지지대는 일반적으로 선형 경로를 따라 상기 지지대를 이동시키기 위한 선형 액추에이터를 갖는 구동 메커니즘 및 상기 구동 메커니즘을 수술대의 측면에 장착하기 위한 적어도 하나의 브라켓을 더 포함함 -; 및
상기 구동 메커니즘을 작동시키기 위한 원격 디바이스 - 상기 원격 디바이스는 적어도 부분적으로 상기 지지대를 위한 컨트롤러로서 구성되고, 상기 컨트롤러는 수술 용 내비게이션 시스템에 통신 가능하게 결합되며, 상기 수술 용 내비게이션 시스템은 가상으로 정의된 경계에 요구되는 변경에 대해 상기 지지대를 배치하기 위해 상기 컨트롤러와 협력하도록 구성되며, 상기 가상으로 정의된 경계는 자동화된 수술 기구가 적용되어야 하는 환자의 조직 및 상기 수술 기구가 적용되지 않아야 하는 환자의 조직을 정의함 -;을 포함하는,
환자를 배치시키기 위한 장치.
제1항에 있어서,
상기 지지대의 높이를 조정하기 위한 수단은 각이 져 있는 수직한 연장부를 포함하는,
환자를 배치시키기 위한 장치.
제2항에 있어서,
상기 구동 메커니즘은 상기 연장부에 결합되는,
환자를 배치시키기 위한 장치.
제3항에 있어서,
상기 연장부는 일반적으로 이격된 복수의 개구를 정의하는,
환자를 배치시키기 위한 장치.
제4항에 있어서,
일반적으로 이격된 개구를 통해 소정의 위치에서 상기 연장부를 해제 가능하게 잠그기 위한 핀을 더 포함하는,
환자를 배치시키기 위한 장치.
제1항에 있어서,
상기 수술 용 내비게이션 시스템에 대한 비상 오버라이드로서, 상기 원격 디바이스 용 발로 작동되는 스위치를 더 포함하고,
상기 발로 작동되는 스위치는 상기 원격 디바이스에 통신 가능하게 결합되도록 구성되는,
환자를 배치시키기 위한 장치.
제1항에 있어서,
상기 수술 용 내비게이션 시스템은 수술 용 추적기, 내비게이션 프로세서, 및 내비게이션 프로세서에서 실행되는 경계 생성기 모듈을 포함하고,
상기 컨트롤러는 프로세서, 및 원격 디바이스 프로세서 상에서 실행되는 플랫폼 제어 모듈을 포함하는,
환자를 배치시키기 위한 장치.
제1항에 있어서,
상기 지지대는 원통형의 패딩된 구성 요소를 포함하는,
환자를 배치시키기 위한 장치.
제1항에 있어서,
상기 구동 메커니즘은 전기적으로 구동되는,
환자를 배치시키기 위한 장치.
수술 절차 동안 환자를 배치시키기 위한 장치에 있어서,
환자의 신체의 부분에 대해 위치하도록 구성된 지지대 - 상기 지지대는 상기 지지대의 높이를 조정하기 위한 수단을 포함하고, 상기 지지대는 일반적으로 선형 경로를 따라 상기 지지대를 이동시키기 위한 선형 액추에이터를 갖는 제1 구동 메커니즘 및 상기 제1 구동 메커니즘을 수술대의 측면에 장착하기 위한 적어도 하나의 브라켓을 더 포함함 -;
상기 제1 구동 메커니즘을 작동시키기 위한 원격 디바이스 - 상기 원격 디바이스는 적어도 부분적으로 상기 지지대를 위한 컨트롤러로서 구성되고, 상기 컨트롤러는 수술 용 내비게이션 시스템에 통신 가능하게 결합됨 -; 및
환자의 신체의 부분과 동일한 측면에서 환자의 신체에 대해 위치하도록 구성된 측면 패드 - 상기 측면 패드는 수술대의 측면에 대해 상기 측면 패드를 측면으로 이동시키기 위한 액추에이터를 갖는 제2 구동 메커니즘 및 수술대의 측면에 상기 제2 구동 메커니즘을 장착하기 위한 적어도 하나의 브라켓을 포함하고, 상기 원격 디바이스는 또한 상기 측면 패드의 상기 제2 구동 메커니즘을 작동하도록 구성되고, 수술 용 내비게이션 시스템은 컨트롤러와 협력하여 경계에 요구되는 변경 사항에 대해 지지대 및 측면 패드를 배치하도록 구성되며, 상기 경계는 자동화된 수술 기구가 적용되어야 하는 환자의 조직 및 수술 기구가 적용되지 않아야 하는 환자의 조직을 정의함 -;을 포함하는,
환자를 배치시키기 위한 장치.
제10항에 있어서,
상기 지지대의 높이를 조정하기 위한 수단은 각이 져 있는 수직한 연장부를 포함하는,
환자를 배치시키기 위한 장치.
제11항에 있어서,
상기 지지대를 위한 상기 제1 구동 메커니즘은 상기 연장부에 결합되는,
환자를 배치시키기 위한 장치.
제12항에 있어서,
상기 연장부는 일반적으로 이격된 복수의 개구를 정의하는,
환자를 배치시키기 위한 장치.
제13항에 있어서,
일반적으로 이격된 개구를 통해 소정의 위치에서 상기 연장부를 해제 가능하게 잠그기 위한 핀을 더 포함하는,
환자를 배치시키기 위한 장치.
제10항에 있어서,
상기 수술 용 내비게이션 시스템에 대한 비상 오버라이드로서, 상기 원격 디바이스 용 발로 작동되는 스위치를 더 포함하고,
상기 발로 작동되는 스위치는 상기 원격 디바이스에 통신 가능하게 결합되도록 구성되는,
환자를 배치시키기 위한 장치.
제10항에 있어서,
상기 수술 용 내비게이션 시스템은 수술 용 추적기, 내비게이션 프로세서, 및 내비게이션 프로세서에서 실행되는 경계 생성기 모듈을 포함하고,
상기 컨트롤러는 프로세서, 및 원격 디바이스 프로세서 상에서 실행되는 플랫폼 제어 모듈과 측면 패드 제어 모듈을 포함하는,
환자를 배치시키기 위한 장치.
제10항에 있어서,
상기 제1 구동 메커니즘 및 상기 제2 구동 메커니즘 중 적어도 하나는 전기적으로 구동되는,
환자를 배치시키기 위한 장치.